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广西是中国著名的有色金属之乡,蕴藏有大量的铝、锰等金属矿藏,每年生产氧化铝和电解锰都产生大量的赤泥(red mud)和电解锰渣(Electrolytic Manganese Residue,EMR)等污染性废渣,如不及时处理,将给当地生态环境造成严重的破坏。失效磷酸基抛光液(phosphoric acid-based disused polishing liquid)是一种铝材料加工过程产生的工业废液,主要成分为磷酸,还含有少量的硫酸和硝酸,此外,还含有大量铝、铁离子以及镉、铜、砷等重金属离子,如果不经处理而排放,将会对环境造成严重污染,也造成宝贵的资源严重浪费。磷酸基地质聚合物是一种近年开发的新型材料,具有强度高、防火耐高温、耐酸碱侵蚀、介电常数和介电损耗低等优点。本文以模拟软件Materials Studio 8.0中的DMol3模块在基于密度泛函(DFT)理论的基础上,对磷酸激发地质聚合物的缩合机理进行了研究;在此基础上,论文以失效磷酸基抛光液、偏高岭土、赤泥和电解锰渣为主要原料,分别制备了偏高岭土基地质聚合物、赤泥基地质聚合物和锰渣基地质聚合物,并对多孔赤泥基地质聚合物材料和轻质复合锰渣赤泥基防火耐高温材料进行了探索性研究。主要研究结果如下:(1)基于密度泛函(DFT)理论,应用Materials Studio 8.0中的DMol3模块对磷酸激发下产生的[AlO4]-、[SiO4]-和[PO4]-经过排列组合、理论分析而确定了 6种可能存在的初始态模型并对其进行了优化计算,在此基础上结合缩聚反应机理,对12种终态模拟结构进行了优化计算。计算结果表明:1)在同等条件下,磷氧四面体优先与硅氧四面体结合,生成[—P—Si—Al—]n缩合结构,与传统认为的[—P—Al—Si—]n缩合结构不同;2)[Al2Si2O4(OH)8]-2(4sr)构型和[Al2Si2PO6(OH)9]-2(4sr-Si-P)构型是地质聚合物缩合反应中最有可能存在的构型,其次是[Al2Si2PO6(OH)9]-2(4sr-Al-P)构型;3)除2sr构型和4sr构型外,其它 2Dr-Si-P 构型、4Dr-Si-P 构型、6sr-Si-P 构型、6Dr-Si-P 构型、2Dr-Al-P 构型、4Dr-Al-P构型、6sr-Al-P构型和6Dr-Al-P构型也有可能同时存在于反应物和生成物中,具体以哪一种为主,主要取决于反应物中的硅、铝含量。(2)利用失效磷酸基抛光液激发偏高岭土制备地质聚合物。在偏高岭土:失效抛光液:水=10:6:3(质量比);反应温度为60℃;养护时间为5d较优工艺条件下,合成了具有较高抗压强度、良好固化金属离子能力、防火耐高温和具有一定耐酸碱侵蚀性能的偏高岭土基地质聚合物。其最高抗压强度可达79MPa;优良的固化金属离子性能,特别是对Pb、Cr等重金属离子具有很强的固化作用;能耐1300℃高温;耐水性能良好,可作为固体酸载体材料,在1%以内低浓度HCl、H2SO4和NaOH溶液中具有良好的耐腐蚀性能。(3)以失效磷酸基抛光液为激发剂,以赤泥为主要原料,添加适量偏高岭土制备赤泥基地质聚合物。在赤泥:偏高岭土:失效抛光液:水=8:4:8:2(质量比),反应温度为50℃,养护时间为1d的较优工艺条件下,合成了赤泥基地质聚合物。赤泥基地质聚合物最高抗压强度可达20MPa;具有优良的耐水性能,长期浸泡无变化,可作为固体酸的载体;具有耐低浓度HCl和H2SO4溶液侵蚀能力,耐NaOH溶液侵蚀性能较好,在高浓度HCl和H2SO4溶液中受侵蚀严重;利用其反应时产生的二氧化碳,可制备成具有良好的成孔性能的多孔材料,水添加量对其吸水率和体积密度具有重要影响;在制备多孔赤泥基地质聚合物时,添加适量偏高岭土不仅有助于显著提高多孔赤泥基地质聚合物抗压强度,还可明显提高其成孔质量;具有优良的固化金属离子性能,特别是对Pb、Cd和Cu等重金属离子和Al和Fe等常见金属离子具有很强的吸附、固化作用。在此基础上,对多孔赤泥基地质聚合物材料进行了探索性研究。(4)以失效磷酸基抛光液为激发剂,以电解锰渣为主要原料,添加适量偏高岭土制备锰渣基地质聚合物。在锰渣:偏高岭土:失效抛光液:水=30:9:15:4(质量比);反应温度为70℃;养护时间为7d的较优工艺条件下,合成了锰渣基地质聚合物。其最高抗压强度可达51MPa;具有优良的耐水性能,可作为固体酸的载体材料,在1%以内低浓度NaOH溶液中具有良好的耐腐蚀性能,耐HCl和H2SO4腐蚀性能较差;具有优良的固化金属离子性能,特别是对Cr、As、Cu和Cd等重金属离子具有很强的固化作用,但对Mg和Mn离子固化性较差。在此基础上,对轻质耐高温复合锰渣赤泥基地质聚合物材料进行了探索性研究,合成了轻质复合锰渣基地质聚合物材料,材料主要性能达到GB/T 15229-2011《轻集料混凝土小型空心砌块》标准。(5)研究了解聚温度、解聚时间和硫酸对解聚反应过程的影响,以及硫酸、金属离子和活性硅含量对聚合反应过程的影响,研究表明:1)低添加量硫酸有助于解聚反应过程铝的溶出,有助于提高地质聚合物抗压强度,起协同激发和催化剂的作用,高添加量硫酸制备的聚合物主要生成硫酸铝,抗压强度降低;2)低温有助于解聚过程进行得更彻底,适当延长解聚时间,制备的地质聚合物抗压强度更高;3)失效磷酸基抛光液中的金属离子对提高地质聚合物抗压强度和耐高温性能呈正相关性。