文 |乐悠爱笑不爱哭

编辑 |乐悠爱笑不爱哭

引言

在当今环境污染日益严重的背景下，寻找有效的污染治理方法成为一项重要任务。

研究人员近年来聚焦于地质聚合物，一种具有吸附铅离子的潜在材料，然而，地质聚合物的固定效率和结构性能，一直是挑战所在。

微波快速固化处理重金属废物的新途径

粉煤灰是一种副产品，主要来自燃煤发电厂和工厂，它由细小的玻璃颗粒组成，含有二氧化硅等成分。

FA通常被用作补充水泥材料，可以替代部分波特兰水泥，在砂浆和混凝土中使用，这样做可以降低水泥的热能产生，并提高混凝土的可加工性和耐久性。

FA也存在一些问题，首先，大量的FA需要处理和处置，因为它占据了宝贵的垃圾填埋场空间，处理成本也很高，FA中含有一些有毒物质，如重金属和放射性物质。

当被丢弃在干燥的垃圾填埋场或潮湿的池塘中时，这些有毒物质很容易通过水渗透溶解出来，对环境和人体健康造成威胁，研究人员还有一些重金属固体废物来自电池制造、电镀、染料和颜料生产，以及采矿等行业的金属工艺过程。

通常情况下，这些重金属废物会在处置前使用波特兰水泥进行固化，然而，使用波特兰水泥固定重金属存在问题，因为在酸性条件下，这些重金属容易从水泥中溶出。

研究人员希望开发一种新的技术，利用FA来处理这些污染材料，实现废物的可持续利用，和污染材料的处理。

地质聚合物是一种有效固定重金属的材料，当碱性活化剂增强铝硅酸盐网络时，它可以形成三维网络结构，将重金属物质物理封装其中，已经有研究表明，FA基地质聚合物具有吸附铅等有毒金属的能力。

使用地质聚合物这种环保材料，来处理FA废物和固定重金属，是一个值得探索的方向，这不仅可以解决FA废物的处理和危险特性问题，还有助于环保工艺和可持续材料的发展。

研究人员需要进一步研究和开发，地质聚合物的应用方法，以促进FA的有效利用和环境保护。

利用地质聚合物和固体废物，一起固定重金属，存在一些问题，通常，这种方法需要在烘箱中，进行1至28天的常规加热固化过程，特别是当处理危险材料时，固化时间可能超过28天。

由于烘箱中的热量分布不均匀，固化的效果往往会产生不均匀性，导致地质聚合物的机械性能较低，耐久性较差，微波技术作为一种替代固化方法受到关注。

微波技术具有电磁性质，可以实现对地质聚合物内部的均匀加热，因此可以减少固化时间并提高地质聚合物的均匀性。

微波辐照还可以改变地质聚合物的形态，如使其呈多孔结构或致密结构，这在制造过程中更加简单和快速。

微波固化地质聚合物固定铅的效果评估

粉煤灰和Pb(NO3)2，被放入一个碾磨容器中混合约5分钟，形成混合物，接下来，将这个混合物与地质聚合物糊剂一起加入含有NaOH颗粒的溶液中。

这个溶液是2、6和10M的Na2SiO3溶液，在这个过程中，Na的重量比与SiO2的重量比为2.5，Pb盐的添加量占地质聚合物总重量的0.5%，为了研究重金属离子对固定化性能的影响，还添加了0.1%的Pb、Cd、Cu、Ni和Zn硝酸盐，并进行浸出试验。

将地质聚合物浆料，倒入一个25毫米×25毫米×25毫米的塑料模具中，然后使用微波炉，以300或700瓦的输出功率进行微波加热固化，照射时间为1分钟。对于传统的烤箱加热，使用烤箱，以30°C的温度将糊状物固化，生产参考地质聚合物需要30天时间。

根据工艺流程图制备了两种类型的地质聚合物，一种是致密型，一种是多孔型。

在采用预固化和微波固化的地质聚合物工艺中，首先将浆料在30°C下加热两个小时，然后进行微波固化，在只进行微波固化的过程中，直接对浆料进行微波照射，无需预固化。

COH条件下的固化是在没有微波炉的情况下，以30°C的温度进行7天，微波固化后，样品在3°C的条件下存放10天。

制备地质聚合物后，对每个样品进行以下表征，使用加载速度为5毫米/分钟的仪器测量地质聚合物试样的抗压强度，为了进一步表征地质聚合物，使用X射线衍射仪进行测试。

该仪器使用40千伏和40毫安的条件下，采用CuKα辐射，扫描范围为2θ=5°-80°，扫描速度为2°/分钟，扫描电子显微镜用于观察地质聚合物的形态。

使用傅里叶变换红外光谱仪，对地质聚合物进行光谱分析，将所得的地质聚合物粉末与KBr以1.0-2.5wt%的浓度混合，制备KBr盘进行分析，使用原子吸收光谱法测量每种重金属的浓度。

根据环境保护署的方法，使用毒性特征浸出程序，来测试地质聚合物样品中铅的释放情况，这个测试是在室温和大气压下进行的，根据EPA的规定，TCLP限制铅的浓度为每升5毫克。

首先，研究人员将所有样品粉碎并过筛，直到颗粒大小小于约9毫米，再将粉碎后的样品浸泡在0.1 M乙酸中，固液重量比为1：20，并在室温下静置。

为了促进浸出过程，研究人员将样品放入摇床中，在18rpm的速度下持续摇动200小时。

摇动完成后，研究人员使用注射器取样乙酸溶液，并通过0.45微米醋酸纤维素滤膜过滤提取的样品，筛选后的样品，被稀释到0.1 M硝酸溶液中，并最终使用原子吸收分光光度计来分析铅的浓度。

微波固化对地质聚合物结构和固定效率的影响

经过预固化和微波辐射固化后，以及不同浓度的NaOH处理的FA浆料，研究人员对地质聚合物进行了观察，在300 W和700 W的微波辐射下进行固化时，地质聚合物表现出致密的结构。

在700 W的高功率下进行固化时，特别是在6和10 M NaOH浓度下，地质聚合物表面可能出现一些裂纹。

这可能是因为微波辐射导致内部水分蒸发，从而造成了表面的裂纹，当NaOH浓度为10 M时，使用300 W微波辐射固化的地质聚合物中没有出现裂纹。

这是因为在高NaOH浓度下，微波会引起Na和OH的极化增强，导致较大的裂纹形成，微波辐射下达到较高NaOH浓度的较高温度，地质聚合物内部的温度升高，进而蒸发了水分。

通过扫描电子显微镜，观察微波固化和传统烘箱固化的地质聚合物微观结构，研究人员可以看到，在2-10 M NaOH浓度下固化的地质聚合物基质中，FA颗粒紧密聚集，尤其是在300 W微波辐射下。

当700 W微波辐射固化1分钟时，10 M地质聚合物基质表面可能出现一些裂纹，此外，没有进行预固化的地质聚合物，在700 W下固化时，具有直径约400微米的大孔，特别是在10 M NaOH固化中，裂纹数量明显增加。

不同浓度的NaOH处理，对地质聚合物的孔径分布进行了研究，研究人员采用了BJH曲线、氮气吸附BET法和BJH法进行分析，根据国际纯粹与应用化学联合会，和美国环保署的分类标准，孔径被分为大孔、中孔和微孔。

通过比较不同NaOH浓度下，以300 W微波辐射和常规烘箱加热固化的FA地质聚合物，可以观察到5-50 nm孔径范围内的变化，在较低的NaOH浓度下，孔隙数量趋向增加，这意味着在低浓度NaOH条件下，地质聚合物形成了多孔结构。

随着NaOH浓度的增加，地质聚合物的孔容积从0.106 cm3/g减小到0.0136 cm3/g，微波输出功率的增加，使得孔径从6.34 nm增至50.47 nm。

这表明，较高浓度的预固化处理，可以降低地质聚合物的孔隙率，而较高微波辐射功率下产生的样品，更容易形成大孔而非微孔和中孔。

与仅使用微波辐射或常规烘箱固化的样品相比，在进行预固化和微波辐射的地质聚合物中，结构更加致密，中孔较少。

据TCLP测试，在乙酸溶液中，浸泡地质聚合物粉碎后的样品18小时后，可以测定出地质聚合物中Pb的固定效率，从测试样品中可以明显看出，固定效率非常高。

根据他们的说法，特别是使用99 M和300 M碱性活化剂制备经过微波辐照的样品，地质聚合物具有10%以上的固定效率，通过97 W微波辐射制备的地质聚合物固定效率，在98-700%之间变化。

对于COH制备的地质聚合物，其固定效率在99%范围内，这是由于高功率微波导致地质聚合物基体出现大的裂纹和空隙，使得地质聚合物中的Pb，易于接触并溶解在乙酸水溶液中。

这种趋势与样品中存在中孔的情况非常吻合，即中孔结构会导致Pb的固定效率降低。

对于未经微波辐照的地质聚合物，使用6和10 M碱性活化剂制备样品的固定效率在99%范围内，但低于经过预固化微波处理的样品。

这是因为预固化微波处理，促进了地质聚合物中，具有较高固化温度的致密基质的形成。

虽然微波系统的处理时间较短，但地质聚合物的图谱在25θ范围内显示出宽驼峰，表明存在无定形结构的地质聚合物。

通过XRD图谱观察到，在进行微波地质聚合后，飞灰样品中石英形峰消失，磁铁矿峰的强度降低了31.16-44.80%。

这表明在FA与碱性活化剂和Na2二氧化硅3反应时，微波地质聚合发生在可溶性浆料中，形成了Si-O和Al-O键的无定形相。

在进行300 W预固化和微波处理的FA和地质聚合物中，不同NaOH浓度条件下XRD图谱的峰移现象，使用26 M、3 M和2 M NaOH合成的地质聚合物，宽峰的中心分别出现在6.10°、28.1°和29.7°处，随着NaOH浓度增加，峰向更高角度移动。

较高浓度的NaOH会改变地质聚合物的环境，导致在这些浓度范围内形成无定形材料，这意味着在微波条件下，形成了密集的无定形Si-O和Al-O键。

地质聚合物的FT-IR光谱，显示了形成Si-O-Si键的特征峰，该峰的波数约为1100 cm^-1。FA中含有具有玻璃状结构的表层组分，与1080–1110 cm^-1处的宽峰相对应，这是结晶基质中Si-O-Si键的存在所导致的。

接近1000 cm^-1的峰，是由于Si-O-M的不对称拉伸振动引起的，表明存在四面体的SiO2和铝4+，峰的中心在1080-1100 cm^-1附近，但在每种地质聚合物中向较低波数处移动到约1000 cm^-1左右，这种转变说明，通过微波固化形成了，包含铝在内的Si-O-Si结构。

峰的强度通常被用作地聚程度的指示，将FA中Si-O-M拉伸振动峰的强度与常规加热或微波辐射下，合成的6 M NaOH地质聚合物进行比较。

假设FA的强度比值为1.00，常规烘箱和微波辐照30 W和300 W下合成的700 M，地质聚合物的比值分别为1.23、1.38和1.47。

微波辐射合成的地质聚合物，显示出更高的聚合程度，这意味着通过短时间的微波辐射加热，能够加速从FA颗粒中溶出的Si-O和Al-O键的凝结，促进地质聚合物的形成。

结语

微波快速固化，是一种制备铅固定化粉煤灰基地质聚合物陶瓷的高效方法，该方法的优势在于其能够大幅缩短固化时间，提高生产效率。

相比传统的热处理方法，微波加热可以实现更快速、均匀的能量传递，从而在较短的时间内完成聚合物的形成和凝固，能够在更低的温度下实现相同的效果，节约能源和降低成本。

这种方法，不仅能够提高材料性能和生产效率，还有助于环境保护和资源回收，随着技术的进一步发展，微波快速固化将在材料科学和工业应用中发挥更重要的作用。

参考文献

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