一种基于粉煤灰-铁尾矿地质聚合物纤维增强材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于粉煤灰‑铁尾矿地质聚合物纤维增强材料的制备方法，其以铁尾矿和粉煤灰为主要固体原料，利用粉煤灰高含铝的特性，调整原料中Si/Al摩尔比；将固体原料与复合碱激发剂混合制得浆料，加入增强纤维材料得到复合浆料，注入模具中密封固化，脱模后养护即得成品。本发明专利技术的地质聚合物材料具有特殊的三维网络结构，抗压和抗折强度高、耐腐蚀性好、耐久性强、耐高温，可用于建筑、汽车、航空、浇注冶金、水土防护、工程抢修等领域。由于原料来源丰富成本低廉，工艺简单且绿色环保、无能耗和碳排，实现了铁尾矿与粉煤灰的资源化综合利用，对采矿企业和热电企业的可持续发展及节能减排具有重要意义。

A Geopolymer Fiber Reinforced Material Based on Fly Ash and Iron Tailings and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种基于粉煤灰-铁尾矿地质聚合物纤维增强材料及其制备方法
本专利技术涉及矿产资源、工业废弃物综合利用及新型绿色无机凝胶材料领域，尤其涉及一种基于粉煤灰-铁尾矿地质聚合物纤维增强材料及其制备方法。
技术介绍
到目前为止，就废物处理而言，工业所面临的最大问题是如何安全有效地处理废水、污泥和火力发电用煤燃烧过程中产生的大量粉煤灰等副产品。目前，在固体废弃物的综合利用方法中，通过将一些富含Si、Al两种元素的固体废弃物转化成地质聚合物而受到越来越多的重视。尾铁矿富含Si、Al两种元素，利用尾铁矿作为主要原材料生产地质聚合物，不仅能够缓解铁尾矿堆存带来的生态问题，而且对实现钢铁企业的可持续发展及节能减排有重要意义。与此同时，铁尾矿是铁矿石选取铁精矿后排放的固体颗粒废弃物，随着多年来矿产资源的粗放型开采，尾矿综合利用率较低，其累积量逐年增加，大量堆积的尾矿不仅占用耕地，而且造成周边的环境污染。此外，尾矿坝的建设和维护也增加钢铁企业的运营成本。粉煤灰，是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加，使粉煤灰已成为我国当前排量较大的工业废渣之一。大量的粉煤灰若不加处理，就会产生扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对生态环境造成严重危害。地质聚合物(Geopolymer)是一种对固体废物及其副产品研究利用的发展方向，由铝和硅四面体通过共享所有氧原子而交替交联构成的三维网络结构，它具有固定有毒金属(能有效固定几乎所有重金属离子)、强度高、耐腐蚀性、耐高温、耐久性强等优点，为稳定大量废旧材料、建筑材料、有毒废料或核废料固封材料、多孔质吸附材料等领域提供了有吸引力的选择。地质聚合物兼有有机物、陶瓷、水泥的特点，其强度高、强耐高温、硬化快、耐酸碱腐蚀等优于普通硅酸盐水泥，在汽车、航空、冶金、土木工程、模具、水土治理等多个领域发挥重要作用。传统的地质聚合物是由活性较高的高岭土和经过约700℃煅烧过的高岭土加入NaOH或KOH溶液制备而成。也有采用高炉渣、转炉渣、钙尾矿、火山灰、页岩、拜耳法赤泥、废玻璃、稻壳灰和秸秆灰等作为固体原料成功的制备出地质聚合物，但其中活性低的材料所含矿物组分部分以非晶态形式结合在一起，在碱性环境下Si、Al较难溶出，不利于后期缩聚反应的进行，减少了凝胶相的生成。综上，亟需一种技术，能够方便和廉价地处理大量含有重金属的废料和副产品，缓解铁尾矿和粉煤灰堆存带来的生态问题，并得到高品质的地质聚合物，产生经济效益。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决现有技术的上述问题，本专利技术提供一种以铁尾矿为主要原料，添加少量粉煤灰以调节硅/铝摩尔比符合硅铝质地质聚合物成分的经验公式中对原料Si/Al摩尔比的要求，再经苛性碱-水玻璃复合碱激发剂激发而生成地质聚合物纤维增强材料的制备方法及由该方法制备的地质聚合物纤维增强材料。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括以下步骤：一种基于粉煤灰-铁尾矿地质聚合物纤维增强材料的制备方法，其包括以下步骤：S1、原料预处理：将经过活化处理的铁尾矿与粉煤灰按照SiO2/Al2O3摩尔比为2.5-3.5的比例混合，制得固体原料；S2、制备复合碱激发剂：将苛性碱和水玻璃混合，得到混合溶液，向混合溶液中加入去离子水，制得碱性复合碱激发剂；S3、浆料制备：将步骤S2制得的复合碱激发剂和步骤S1制得的固体原料混合并搅拌得到浆料，复合碱激发剂和固体原料混合比例满足Na2O/Al2O3摩尔比为0.4-2.0；向该浆料中加入纤维增强材料，混合均匀得到复合浆料；S4、成型：将步骤S3制得的浆料注入到模具中密封，在一定温度下进行固化反应后成型；S5、养护：脱模，在一定温度和湿度下养护，得到基于粉煤灰-铁尾矿地质聚合物纤维增强材料。向浆料中加入特定的纤维增强材料，可提高地质聚合物材料的抗撕裂、抗压或抗耐磨等强度。作为本专利技术的一个优选实施例，步骤S1中，经过活化处理的铁尾矿粒度为≤150μm，优选≤100μm；粉煤灰为粒度≤200μm的二级粉煤灰。优选地，所述粉煤灰经过筛分处理。原料颗粒尺寸越小，使得原料比表面积增大，增加其反应活度，有利于地质聚合反应的进行。作为本专利技术的一个优选实施例，步骤S1中，所述活化处理包括将铁尾矿置于干燥箱中烘干脱水后进行机械研磨粉碎，以减小和均化粒径。烘箱温度为80-150℃。尾矿多为惰性原料，通过机械研磨活化可以增加比表面积，加快反应速率，提高材料早期强度。作为本专利技术的一个优选实施例，步骤S2中，所述苛性碱为NaOH，NaOH和工业水玻璃的混合满足复合碱激发剂中SiO2/Na2O摩尔比为1.2-2.0；加入去离子水的量满足复合碱激发剂中H2O/Na2O摩尔比为7-20。实验证明，在以上摩尔比范围内可以制得力学性能良好、结构稳定的地质聚合物，同时也可以控制改变浆料的流动性，以满足不同情况下的需求。作为本专利技术的一个优选实施例，步骤S3中，复合碱激发剂和固体原料混合比例满足Na2O/Al2O3摩尔比为0.8-1.0。Na2O/Al2O3摩尔比为0.4-2.0时，可以制得符合地质聚合物结构通式的材料。更优选地，当Na2O/Al2O3摩尔比为0.8-1.0时，可制得力学性能更好、结构更加稳定的地质聚合物。作为本专利技术的一个优选实施例，步骤S1中，经过活化处理的铁尾矿粒度≤50μm的颗粒占50％以上。尺寸大于50μm的铁尾矿颗粒可以与尺寸极小的超细粉末小于10μm产生微集料效应，可以互相填充颗粒之间的空隙，增加材料的密实度程度，进一步增加强度。作为本专利技术的一个优选实施例，步骤S4中，固化反应温度为20-120℃，优选80-150℃；步骤S5中，脱模后养护温度为20-120℃、湿度为50-100％RH，养护的时间为28-120天；优选的养护温度为20-90℃、湿度为60-100％RH。较高的固化温度有利于原料成分的扩散和交换，促进传质过程。过高的养护温度使得反应过于迅速，使得局部成分先发生凝固，没能来得及发生物质交换和扩散，造成成分不均匀。后期的养护湿度在60-100％RH可以减缓地质聚合物凝胶中自由水的挥发速度，自由水是地质聚合过程中的传输媒介，在上述湿度范围内可以使地质聚合物内各原料充分反应，结构组织均匀。作为本专利技术的一个优选实施例，步骤S3中，所述纤维增强材料为长度4-10mm的玄武岩短切纤维；经步骤S4成型和S5养护后，制得一种基于铁尾矿-粉煤灰的地质聚合物玄武岩纤维增强材料，可显著提高地质聚合物材料的抗压强度。玄武岩纤维，是玄武岩石料在1450℃～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维，强度与高强度S玻璃纤维相当。玄武岩纤维是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成的玄武岩石料在高温熔融后，通过漏板快速拉制而成的。玄武岩连续纤维不仅强度高，而且还具有电绝缘、耐腐蚀、耐高温等多种优异性能。作为本专利技术的一个优选实施例，步骤S3中，步骤S3中，所述玄武岩短切纤维加入到浆料中的比本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于粉煤灰‑铁尾矿地质聚合物纤维增强材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、原料预处理：将经过活化处理的铁尾矿与粉煤灰按照SiO2/Al2O3摩尔比为2.5‑3.5的比例混合，制得固体原料；S2、制备复合碱激发剂：将苛性碱和水玻璃混合，得到混合溶液，向混合溶液中加入去离子水，制得碱性复合碱激发剂；S3、浆料制备：将步骤S2制得的复合碱激发剂和步骤S1制得的固体原料混合并搅拌得到浆料，复合碱激发剂和固体原料混合比例满足Na2O/Al2O3摩尔比为0.4‑2.0；向该浆料中加入纤维增强材料，混合均匀得到复合浆料；S4、成型：将步骤S3制得的复合浆料注入到模具中，在一定温度下进行固化反应后成型；S5、养护：脱模，在一定温度和湿度下养护，得到基于粉煤灰‑铁尾矿地质聚合物纤维增强材料。

【技术特征摘要】
1.一种基于粉煤灰-铁尾矿地质聚合物纤维增强材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、原料预处理：将经过活化处理的铁尾矿与粉煤灰按照SiO2/Al2O3摩尔比为2.5-3.5的比例混合，制得固体原料；S2、制备复合碱激发剂：将苛性碱和水玻璃混合，得到混合溶液，向混合溶液中加入去离子水，制得碱性复合碱激发剂；S3、浆料制备：将步骤S2制得的复合碱激发剂和步骤S1制得的固体原料混合并搅拌得到浆料，复合碱激发剂和固体原料混合比例满足Na2O/Al2O3摩尔比为0.4-2.0；向该浆料中加入纤维增强材料，混合均匀得到复合浆料；S4、成型：将步骤S3制得的复合浆料注入到模具中，在一定温度下进行固化反应后成型；S5、养护：脱模，在一定温度和湿度下养护，得到基于粉煤灰-铁尾矿地质聚合物纤维增强材料。2.根据权利要求1所述的一种基于粉煤灰-铁尾矿地质聚合物纤维增强材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，经过活化处理的铁尾矿粒度为≤150μm，粉煤灰为粒度≤200μm的二级粉煤灰。3.根据权利要求2所述的一种基于粉煤灰-铁尾矿地质聚合物纤维增强材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述活化处理包括将铁尾矿置于干燥箱中烘干脱水后进行机械研磨粉碎，以减小和均化粒径。4.根据权利要求1所述的一种基于粉煤灰-铁尾矿地质聚合物纤维增强材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述苛性碱为NaOH，NaOH和工业水玻璃的混合满足复合碱...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宇轩，汪应玲，罗绍华，孙利军，董琳，陈帆，
申请(专利权)人：东北大学秦皇岛分校，
类型：发明
国别省市：河北,13