CN112441815B - 一种利用赤泥与煤矸石制备微波吸收材料的方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用赤泥与煤矸石制备微波吸收材料的方法及其应用,属于固废利用及微波吸收材料技术领域,解决固体废弃物赤泥和煤矸石高效、合理地综合利用的技术问题,解决方案为:首先对赤泥浆进行压滤、分散,得到分散好的赤泥团,然后再对煤矸石进行破碎、球磨和筛分,得到粒度适中的煤矸石粉体,接着按照一定的比例分别称取赤泥和煤矸石粉体混合均匀,最后经惰性气氛下焙烧处理即可得到负载Fe3O4、Fe3O4/Fe、Fe/FeC或者Fe单质的磁性复合微波吸收材料,其主要物相为铁橄榄石、霞石和碳。本发明以固废赤泥与煤矸石为原料制备复合吸波材料,实现了赤泥与煤矸石的有效回收利用,也为赤泥与煤矸石的综合利用提供了借鉴。
Description
技术领域
本发明属于固废利用及微波吸收材料技术领域,具体涉及的是一种利用赤泥与煤矸石制备微波吸收材料的方法及其应用。
背景技术
赤泥是制铝工业提炼氧化铝时所产生的一种固体废渣,我国作为氧化铝生产大国,每年赤泥的排放量高达6000万吨以上,但是绝大部分赤泥都不能得到很好的回收再利用,而且赤泥中含有大量的碱分和部分重金属离子,随意地排放会直接污染地下水和土壤。现行的普遍方法是征用大面积的土地筑坝并铺设隔离、防渗层建造赤泥库,这样不仅浪费土地资源,后期还需要投入大量资金进行赤泥库的管理。另外,赤泥库也存在着各种安全隐患,赤泥的大量堆存会带来系列的生态环境问题。但是赤泥中仍含有较高利用价值的有价金属元素,比如铁、钛、镓、钪、钒等,同时赤泥具有很多优良性质,其粒度小、比表面积大、塑性好等。因此,如何将固废赤泥进行综合利用,从而变废为宝,引起了科研工作者的广泛关注。
近年来,在回收利用赤泥作为建筑材料添加剂,提取赤泥中的金属元素,赤泥作为土壤修复剂以及赤泥作为烟气脱硫剂等方面的研究取得了一定的进展。然而,上述利用途径仍然存在利用率较低、工艺复杂、成本高,甚至造成二次污染等弊端。因此,如何实现赤泥的有效资源化利用将对我国氧化铝行业的绿色、循环发展具有十分广阔的前景。众所周知,赤泥的高碱性特点是制约其资源化应用的关键因素,如果能够合理地利用这一特点同时降低碱度,将会突破赤泥的大规模的资源化利用瓶颈。
煤矸石是采煤和洗煤过程中产生的固体废弃物,其大量排放不仅占用土地资源,而且会造成各种污染。煤矸石内部含有多种矿物成分,以及各类化合物和微量元素,其主要化学成分是SiO2、Al2O3以及一定含量的固定碳。随着循环经济理念的提出,以煤矸石为代表的固废也被称为“放错了地方的资源”,所以,寻求煤矸石的高效综合利用途径是解决这一问题的关键。
另一方面,随着电子通信技术的日益普及,各类通讯设施在给人类带来便利的同时,不同频率的电磁波也充斥着人们的生活空间,无形之中造成了电磁污染。所以,能够设计、制备吸收电磁波的材料是解决电磁污染的一种有效方法,而微波吸收材料正朝着高性能化的方向发展,即要求材料的涂层厚度薄、质量轻,吸收频带宽、能力强以及易制备和节能环保。
综上,如果能够合理开发利用赤泥与煤矸石制备新型微波吸收材料,不仅可以有效缓解因赤泥和煤矸石大量排放、堆积引起的各类生态环境压力,而且能够降低吸波材料的生产成本,真正实现固体废弃物赤泥和煤矸石的综合利用,并且兼顾环境效益、社会效益与经济效益。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点,解决固体废弃物赤泥和煤矸石高效、合理地综合利用的技术问题,为赤泥与煤矸石的资源化利用提供新思路,本发明提供一种利用赤泥与煤矸石制备微波吸收材料的方法及其应用。
本发明通过以下技术方案予以实现。
一种利用赤泥与煤矸石制备微波吸收材料的方法,包括以下步骤:
(1)、将工厂生产过程中产生的赤泥浆进行压滤处理,压滤处理后的滤液作为碱源返厂继续使用,压滤处理后获得的低水分赤泥团进行分散处理,留待后步使用;
(2)、对煤矸石破碎、球磨,然后经标准筛进行筛分,获得粒径为50~200目的煤矸石粉体,留待后步使用;
(3)、将步骤(1)分散处理后的低水分赤泥团与步骤(2)制得的煤矸石粉体混合,其中低水分赤泥团与煤矸石粉体的质量比为2:1~4:1,物料混合均匀后置于管式炉内,在惰性气氛下经800~1200℃恒温焙烧0.5~3h,然后随炉冷却至室温,制得磁性复合微波吸收材料。
采用上述方法制备的磁性复合微波吸收材料在微波吸收过程中的应用。
进一步地,在所述步骤(1)中,赤泥浆中有效成分赤泥的组成及其重量百分比含量为:15~20wt%SiO2、2~10wt%CaO、15~25wt%Al2O3、20~50wt%Fe2O3、5~10wt%Na2O、3~4wt%TiO2。
进一步地,在所述步骤(1)中,低水分赤泥团中水的重量百分比含量低于25%。
进一步地,在所述步骤(2)中,煤矸石的组成及其重量百分比含量为:30~50wt%SiO2、20~35wt%Al2O3、3~12wt%Fe2O3、0.8~3.2wt%TiO2、0.2~0.9wt%CaO、10~25wt%LOI。
进一步地,在所述步骤(3)中,制得的磁性复合微波吸收材料的BET比表面积为25~60m2/g,磁性复合微波吸收材料中主要物相为铁橄榄石、霞石和碳,负载的磁性组分为Fe3O4、Fe3O4/Fe、Fe/FeC或者Fe单质。
与现有技术相比本发明的有益效果为:
(1)、本发明所使用的主要原料赤泥和煤矸石都为工业领域所排放的固体废弃物,将两者有效回收利用制备复合微波吸收材料,制备工艺简单,不仅变废为宝,还实现了以废治污的效果,有望大规模推广应用;
(2)、在惰性气氛下高温焙烧处理过程中,煤矸石内部的固定碳可以将赤泥内的Fe2O3原位还原为Fe3O4、Fe或者FeC磁性组分,无需额外还原气氛,而剩余的碳则与磁性组分协同作用增强复合材料的微波吸收性能;
(3)在高温条件下,赤泥中存在的大量碱能够有效活化煤矸石内的固定碳,不仅有助于增加复合微波吸收材料的比表面积、降低其密度,重要的方面是可以有效消耗赤泥中的碱,而且所得主要产物铁橄榄石和霞石对环境没有任何危害,可以直接作为生产耐火材料和建材等的原料,这也为赤泥的综合利用提供了思路和借鉴。
附图说明
图1为实施例一中制得的磁性复合微波吸收材料的微波反射损耗曲线;
图2为实施例三中制得的磁性复合微波吸收材料的X射线衍射谱图;
图3为实施例五中制得的磁性复合微波吸收材料的Raman谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例一
一种利用赤泥与煤矸石制备微波吸收材料的方法,包括以下步骤:
(1)、将工厂生产过程中产生的赤泥浆进行压滤处理,压滤处理后的滤液作为碱源返厂继续使用,压滤处理后获得的低水分赤泥团(水的重量百分比含量为22%)进行分散处理,留待后步使用;其中,赤泥浆中有效成分赤泥的组成及其重量百分比含量为:20wt%SiO2、2wt%CaO、20wt%Al2O3、45wt%Fe2O3、10wt%Na2O、3wt%TiO2;
(2)、对煤矸石破碎、球磨,然后经标准筛进行筛分,获得粒径为150目的煤矸石粉体,留待后步使用;其中,煤矸石的组成及其重量百分比含量为:40wt%SiO2、25wt%Al2O3、10wt%Fe2O3、2.2wt%TiO2、0.5wt%CaO、22.5wt%LOI;
(3)、将步骤(1)分散处理后的低水分赤泥团与步骤(2)制得的煤矸石粉体混合,其中低水分赤泥团与煤矸石粉体的质量比为3:1,物料混合均匀后置于管式炉内,在惰性气氛下经1000℃恒温焙烧2h,然后随炉冷却至室温,制得磁性复合微波吸收材料。
本实施例一制得的磁性复合微波吸收材料,其主要物相为铁橄榄石、霞石和碳,负载的磁性组分为单质Fe,BET比表面积为42m2/g。
如图1所示,本实施例一制得的磁性复合微波吸收材料在微波吸收过程中应用时,当涂层厚度为5mm时,其有效带宽为1.9GHz、最低反射损耗值为–28dB。
实施例二
一种利用赤泥与煤矸石制备微波吸收材料的方法,包括以下步骤:
(1)、将工厂生产过程中产生的赤泥浆进行压滤处理,压滤处理后的滤液作为碱源返厂继续使用,压滤处理后获得的低水分赤泥团(水的重量百分比含量为20%)进行分散处理,留待后步使用;其中,赤泥浆中有效成分赤泥的组成及其重量百分比含量为:15wt%SiO2、8wt%CaO、25wt%Al2O3、40wt%Fe2O3、8wt%Na2O、4wt%TiO2;
(2)、对煤矸石破碎、球磨,然后经标准筛进行筛分,获得粒径为200目的煤矸石粉体,留待后步使用;其中,煤矸石的组成及其重量百分比含量为:40wt%SiO2、25wt%Al2O3、10wt%Fe2O3、2.2wt%TiO2、0.5wt%CaO、22.5wt%LOI;
(3)、将步骤(1)分散处理后的低水分赤泥团与步骤(2)制得的煤矸石粉体混合,其中低水分赤泥团与煤矸石粉体的质量比为3:1,物料混合均匀后置于管式炉内,在惰性气氛下经800℃恒温焙烧2h,然后随炉冷却至室温,制得磁性复合微波吸收材料。
本实施例二制得的磁性复合微波吸收材料,其主要物相为铁橄榄石、霞石和碳,负载的磁性组分为Fe3O4,BET比表面积为27m2/g。
实施例三
一种利用赤泥与煤矸石制备微波吸收材料的方法,包括以下步骤:
(1)、将工厂生产过程中产生的赤泥浆进行压滤处理,压滤处理后的滤液作为碱源返厂继续使用,压滤处理后获得的低水分赤泥团(水的重量百分比含量为22%)进行分散处理,留待后步使用;其中,赤泥浆中有效成分赤泥的组成及其重量百分比含量为:20wt%SiO2、2wt%CaO、20wt%Al2O3、45wt%Fe2O3、10wt%Na2O、3wt%TiO2;
(2)、对煤矸石破碎、球磨,然后经标准筛进行筛分,获得粒径为200目的煤矸石粉体,留待后步使用;其中,煤矸石的组成及其重量百分比含量为:40wt%SiO2、20wt%Al2O3、9wt%Fe2O3、2.1wt%TiO2、0.7wt%CaO、23.2wt%LOI;
(3)、将步骤(1)分散处理后的低水分赤泥团与步骤(2)制得的煤矸石粉体混合,其中低水分赤泥团与煤矸石粉体的质量比为3.5:1,物料混合均匀后置于管式炉内,在惰性气氛下经900℃恒温焙烧2.5h,然后随炉冷却至室温,制得磁性复合微波吸收材料。
本实施例三制得的磁性复合微波吸收材料,其主要物相为铁橄榄石、霞石和碳,负载的磁性组分为单质Fe,BET比表面积为40m2/g。
如图2所示,本实施例三制得的负载物的物相组成为单质Fe,说明在900℃条件下碳热还原处理2.5h可以将含有体系内的Fe3+还原得到Fe,而图谱中其余衍射峰对应为铁橄榄石、霞石的物相。
实施例四
一种利用赤泥与煤矸石制备微波吸收材料的方法,包括以下步骤:
(1)、将工厂生产过程中产生的赤泥浆进行压滤处理,压滤处理后的滤液作为碱源返厂继续使用,压滤处理后获得的低水分赤泥团(水的重量百分比含量为20%)进行分散处理,留待后步使用;其中,赤泥浆中有效成分赤泥的组成及其重量百分比含量为:15wt%SiO2、8wt%CaO、25wt%Al2O3、40wt%Fe2O3、8wt%Na2O、4wt%TiO2;
(2)、对煤矸石破碎、球磨,然后经标准筛进行筛分,获得粒径为150目的煤矸石粉体,留待后步使用;其中,煤矸石的组成及其重量百分比含量为:40wt%SiO2、25wt%Al2O3、10wt%Fe2O3、2.2wt%TiO2、0.5wt%CaO、22.5wt%LOI;
(3)、将步骤(1)分散处理后的低水分赤泥团与步骤(2)制得的煤矸石粉体混合,其中低水分赤泥团与煤矸石粉体的质量比为2:1,物料混合均匀后置于管式炉内,在惰性气氛下经1100℃恒温焙烧1.5h,然后随炉冷却至室温,制得磁性复合微波吸收材料。
本实施例四制得的磁性复合微波吸收材料,其主要物相为铁橄榄石、霞石和碳,负载的磁性组分为FeC和单质Fe,BET比表面积为51m2/g。
实施例五
一种利用赤泥与煤矸石制备微波吸收材料的方法,包括以下步骤:
(1)、将工厂生产过程中产生的赤泥浆进行压滤处理,压滤处理后的滤液作为碱源返厂继续使用,压滤处理后获得的低水分赤泥团(水的重量百分比含量为22%)进行分散处理,留待后步使用;其中,赤泥浆中有效成分赤泥的组成及其重量百分比含量为:20wt%SiO2、2wt%CaO、20wt%Al2O3、45wt%Fe2O3、10wt%Na2O、3wt%TiO2;
(2)、对煤矸石破碎、球磨,然后经标准筛进行筛分,获得粒径为100目的煤矸石粉体,留待后步使用;其中,煤矸石的组成及其重量百分比含量为:40wt%SiO2、25wt%Al2O3、10wt%Fe2O3、2.2wt%TiO2、0.5wt%CaO、22.5wt%LOI;
(3)、将步骤(1)分散处理后的低水分赤泥团与步骤(2)制得的煤矸石粉体混合,其中低水分赤泥团与煤矸石粉体的质量比为2:1,物料混合均匀后置于管式炉内,在惰性气氛下经1000℃恒温焙烧2h,然后随炉冷却至室温,制得磁性复合微波吸收材料。
本实施例五制得的磁性复合微波吸收材料,其主要物相为铁橄榄石、霞石和碳,负载的磁性组分为单质Fe,BET比表面积为38m2/g。
由图3可知,该实施例得到复合材料本实施例五制得的磁性复合微波吸收材料的Raman图谱上有D峰和G峰同时存在,证明经过碳热还原反应后,复合材料内部仍有多余的碳存在。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种利用赤泥与煤矸石制备微波吸收材料的方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)、将工厂生产过程中产生的赤泥浆进行压滤处理,压滤处理后的滤液作为碱源返厂继续使用,压滤处理后获得的低水分赤泥团进行分散处理,留待后步使用;赤泥浆中有效成分赤泥的组成及其重量百分比含量为:15~20wt%SiO2、2~10wt%CaO、15~25wt%Al2O3、20~50wt%Fe2O3、5~10wt%Na2O、3~4wt%TiO2;
(2)、对煤矸石破碎、球磨,然后经标准筛进行筛分,获得粒径为50~200目的煤矸石粉体,留待后步使用;煤矸石的组成及其重量百分比含量为:30~50wt%SiO2、20~35wt%Al2O3、3~12wt%Fe2O3、0.8~3.2wt%TiO2、0.2~0.9wt%CaO、10~25wt%LOI;
(3)、将步骤(1)分散处理后的低水分赤泥团与步骤(2)制得的煤矸石粉体混合,其中低水分赤泥团与煤矸石粉体的质量比为2:1~4:1,物料混合均匀后置于管式炉内,在惰性气氛下经800~1200℃恒温焙烧0.5~3 h,然后随炉冷却至室温,制得磁性复合微波吸收材料。
2.根据权利要求1所述的一种利用赤泥与煤矸石制备微波吸收材料的方法,其特征在于:在所述步骤(1)中,低水分赤泥团中水的重量百分比含量低于25%。
3.根据权利要求1所述的一种利用赤泥与煤矸石制备微波吸收材料的方法,其特征在于:在所述步骤(3)中,制得的磁性复合微波吸收材料的BET比表面积为25~60m2/g,磁性复合微波吸收材料中主要物相为铁橄榄石、霞石和碳,负载的磁性组分为Fe3O4、Fe3O4/Fe、Fe/FeC或者Fe单质。
4.采用如权利要求1所述的方法制备的磁性复合微波吸收材料在微波吸收过程中的应用。
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