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现代工业的高速发展,在给人类社会带来巨大经济效益的同时,也给环境带来了污染,严重威胁到人们生存和生活质量。如何维持经济社会的可持续发展已成为亟待解决的世界难题,因此,世界各国科学家开始致力于开发清洁环保、可持续利用的能源和材料来维持人类社会的可持续发展。
地聚合材料是近年开发出来的一种新型无机胶凝材料,其原料来源广泛、廉价,合成工艺简单、能耗低、环境污染小,是一种“绿色环保材料”,由于其特殊的三维网络结构,兼具有水泥、陶瓷和有机高聚物的优良性能,在高强材料、固核固废材料和耐高温材料等方面具有广阔的应用前景,因而受到世界各国材料工作者的广泛关注。
本文以偏高岭土和粉煤灰为原料,以氢氧化钠为激发剂,采用水热合成法制备了沸石增强型地聚合材料,探讨了不同制备因素对材料力学性能的影响,并采用正交试验优化了合成工艺,采用FT-IR、XRD和SEM-EDS等手段对材料进行了物相组成和微观形貌分析,由于材料含有具有良好吸附性能和离子交换性能的沸石相,因此,文章重点研究了该材料对模拟核素离子的吸附性能与吸附机理。
在材料制备过程中,采用热固化工艺可提高粉煤灰活性,当粉煤灰的掺量为50%,材料的抗压强度最高。通过正交试验直观分析和方差分析可知,不同工艺因素对材料的影响不同,其中氢氧化钠溶液浓度对材料抗压强度有显著影响,蒸养时间对材料的强度影响最小。研究表明:水热合成法制备的沸石增强型地聚合材料主要产物为无定形的硅铝酸盐及沸石相,随着合成工艺条件的改变生成的沸石类型不同,沸石类型的生成主要受氢氧化钠浓度和蒸养温度的影响。氢氧化钠浓度为6mol.L-1时,产物为无定形的铝硅酸盐,氢氧化钠浓度为8~10mol.L-1时主要产物为无定形的铝硅酸盐和钠沸石,浓度为12mol.L-1时,沸石相为羟基方钠石;低温和短时间蒸养有利于生成八面沸石和钠沸石,高温和长时间蒸养则有利于生成NaPl型沸石、A沸石和方沸石。
文章采用静态实验法研究了吸附时间、溶液浓度、溶液pH值等因素对材料吸附性能的影响,对锶钴铯在不同样品中的吸附能力和吸附效果进行了比较与评价,并对吸附过程进行了动力学模拟和吸附机理进行了探讨。研究表明:沸石增强型地聚合材料对Sr2+、Co2+和Cs+三种离子具有良好的吸附能力,其中对铯离子的吸附能力明显大于锶离子和钴离子,吸附量主要受溶液初始浓度、溶液pH值及样品中沸石类型的影响。吸附动力曲线表明:在低浓度下,材料对Sr2+、Co2+和Cs+的吸附过程主要为化学吸附,符合一级反应动力学模型;在高浓度下,材料对离子的吸附过程比较复杂,吸附过程与Elovich方程qt=a+blnt拟合很好。通过对材料进行物理化学化性质分析可知,材料对锶钴铯三种离子的吸附机理不同,对锶和钴的吸附为离子交换吸附和表面络合吸附,对铯的吸附作用是离子交换吸附。该材料可应用于吸附固化核素离子和重金属离子,在核废液及重金属污水处理等环保领域具有潜在的应用价值。