酸激发地质聚合物的制备及其催化性能研究

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近年来,随着我国经济的高速发展,大量的工业固体废弃物也应运而生。锌渣和粉煤灰分别是锌冶炼企业和燃煤电厂排放量最大的工业固体废弃物,未经处理的工业废渣直接排放会污染土壤、空气及水源,对生态环境造成恶劣影响,直接影响人类的生活质量和身体健康。以工业固体废弃物为原料制备地质聚合物是其高附加值利用的有效途径之一,也是固废资源化利用研究领域的热点。酸激发地质聚合物是一种以无机酸或酸式盐激发硅铝质原料形成的胶凝材料。酸激发地质聚合物中的硅氧四面体、铝氧四面体和磷氧四面体通过桥氧键联成三维立体网络结构,因具有强度高、固化快、耐高温和耐腐蚀等特点而成为地质聚合物材料发展的新方向。本文以锌渣、偏高岭土和粉煤灰为原料,磷酸作为酸激发剂,通过机械混合与热养护制备了酸激发锌渣/偏高岭土地质聚合物(Zinc slag/Metakaolin geopolymer,ZMG)以及酸激发锌渣/粉煤灰地质聚合物(Zinc slag/Fly ash geopolymer,ZFG)。采用X-射线衍射谱、扫描式电子显微镜、X-射线光电子能谱、傅立叶红外光谱及氮气物理吸附等多种现代分析测试技术研究了所制地质聚合物的矿物相组成、微观形貌、化学组成及孔结构等性质。评价了酸激发地质聚合物催化剂作为类芬顿催化剂降解直接深蓝模拟染料废水性能,系统考察了原料配比、催化剂用量、p H值、H2O2浓度对染料降解率的影响,获得主要研究结果如下:(1)酸激发锌渣/偏高岭土地质聚合物7 d龄期的抗压强度随着锌渣掺量的增加而显著增加,锌渣掺量为50 wt%样品(ZMG-50)的抗压强度最佳(19.9MPa);锌渣的掺入可以显著调控地质聚合物的孔结构、提高比表面积,进一步提高其对直接深蓝染料的吸附与催化降解性能。在溶液初始p H值为2.5,H2O2浓度0.32 mmol/L,催化剂用量8.0 g/L、直接深蓝染料浓度为60 mg/L的条件下,锌渣掺量为50 wt%样品经反应42 min后对直接深蓝染料的降解率可达96.2%;且具有良好的循环使用稳定性,循环使用五次后其对直接深蓝染料的降解率均能保持在85%以上。(2)酸激发锌渣/粉煤灰地质聚合物7 d龄期的抗压强度随着锌渣掺量的增加呈现先增加后减小的规律,锌渣掺量为30 wt%样品(ZFG-30)的抗压强度最高可达25.1 MPa;锌渣的掺入可以显著改善地质聚合物的介孔结构、提高比表面积,从而增加其吸附和催化降解染料活性位点的数量。酸激发锌渣/粉煤灰地质聚合物样品中的锌渣含量与其对直接深蓝染料的吸附和催化降解性能均呈正相关关系。催化降解结果表明:在ZFG-50催化剂用量8.0 g/L、溶液初始p H值为3、H2O2浓度0.32 mmol/L、直接深蓝染料浓度为60 mg/L的条件下,ZFG-50催化剂样品的催化降解性能最佳,经42 min反应达到平衡后直接深蓝染料的降解率达到96%;ZFG-50样品经五次循环实验后,降解率依旧保持在87%以上,具有良好的稳定性。
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