编号：FTJS108042
篇名： 煤矸石基多孔陶瓷的低温制备及其吸水保水性能研究
作者： 王浩
关键词： 煤矸石; 多孔陶瓷; 低温烧结; 吸水保水材料; 生态修复;
机构：太原理工大学
摘要： 全球旱地生态系统作为陆地系统的重要组成部分,覆盖了地球陆地表面的41%以上,承载着超过40%的人口和35%的全球生物多样性。水资源短缺成为制约农业生产和生态恢复的核心问题。如何提升有限水资源的利用效率已经成为了旱地农业生产和退化土地修复的关键挑战。而煤矸石作为煤炭开采过程中产生的大宗工业固废,年排放量超过7亿吨,长期露天堆存不仅占用大量土地,还会引发严重环境问题。由于传统处理方式如填埋和路基铺设存在资源浪费甚至是环境污染风险,因此亟需探索煤矸石高值化利用的新途径,并将其转化为功能性材料以应用于旱区生态治理。针对现有节水抗旱技术的局限性,本研究提出以煤矸石为原料制备高吸水率多孔陶瓷的创新思路。本研究根据煤矸石的特性,在较低烧结温度下,通过添加造孔剂优化孔隙结构,旨在开发一种兼具高吸水性能、长保水时间的煤矸石基多孔陶瓷材料,实现固废高值化利用与旱区水分调控的双重目标。本文主要研究内容和结果如下: 本研究根据煤矸石为原料,添加聚苯乙烯和淀粉为造孔剂,玻璃粉为粘结剂,通过添加造孔剂法低温制备出多孔陶瓷材料,并研究了烧结温度以及各原料不同添加量对多孔陶瓷吸水率和保水时间的影响。结果表明,600℃烧结保温2h,聚苯乙烯、淀粉、煤矸石和玻璃粉的添加量分别为2.2g、3g、6g和2.5g时,所获得的样品吸水率为74.38%,保水时间为21.25h,抗压强度为0.26MPa。通过扫描电子显微镜观察到样品通过造孔剂结合煤矸石自身的孔隙形成多级孔道结构。X射线衍射分析表明,烧结后的材料晶相主要为石英。样品吸水主要是物理吸附。通过模拟极端环境,将多孔陶瓷加入土壤和标准沙中进行保水实验,结果表明多孔陶瓷能显著延长土壤和标准沙的持水时间。 随后,为进一步提高多孔陶瓷吸水和保水性能,引入硅藻土进行孔径级配优化,同时适当提高烧结温度解决多孔陶瓷样品抗压强度过低的问题。同时,研究了烧结温度和聚苯乙烯添加量对多孔陶瓷吸水保水性能、物相组成、微观结构以及综合性能的影响,然后通过正交实验确定多孔陶瓷最优配方。实验结果表明,聚苯乙烯添加量为25%并在615℃下烧结得到的多孔陶瓷吸水率、保水时间、孔隙率和抗压强度分别为,117.50%、47.75h、71.51%和0.48MPa。在此基础上,通过正交实验进一步优化其他原料的添加量,当煤矸石为20g、淀粉为25g、玻璃粉为11g、聚苯乙烯为27g时,吸水率为149.70%,保水时间为57.75h、表观孔隙率为77.28%、抗压强度为0.55MPa。对获得的多孔陶瓷进行重金属浸出测试,结果符合国家标准。此外,盆栽实验表明,样品对小白菜出苗和生长有积极作用。