磷灰石型环境矿物材料的制备与表征
发布时间：2020-05-26 19:19
【摘要】：磷灰石型环境矿物材料在治理重金属离子污染等领域显示了良好的应用前景,Cd2+作为生物毒性最强的重金属离子之一,是磷灰石处理重金属废水时的重点与难点,得到了广泛的研究。本文以Cd2+吸附量作为衡量磷灰石型环境功能材料的主要指标,通过研究磷灰石的合成与加工方法对其成分、结构与Cd2+吸附量的影响,探索高性能磷灰石型环境矿物材料的高效制备方法。 天然磷灰石样品是用磷块岩直接粉磨加工得到的含有脉石矿物的粉体,采集了3种工业类型与11种自然类型的磷块岩矿石,对影响其粉磨特性的工艺矿物学性质进行研究。磷块岩中的磷灰石主要以纳米～亚微米级超细粒子集合体的形式(胶磷矿颗粒)产出,受嵌布粒度、嵌镶关系以及硬度等工艺性质的影响,磷块岩在粉磨过程中出现了成分分异现象,白云石、石英、层状铝硅酸盐矿物与褐铁矿等脉石矿物在细粒级粉体中富集,并导致细粒级样品的Cd2+吸附量下降。通过对成分、结构、粒度等影响样品Cd2+吸附性能的本征因素进行分析,确定了天然磷灰石环境矿物材料的选型标准。筛选出来的块状硅质磷块岩所含磷灰石具有纳米结构、基本不含碳酸盐矿物,Cd2+吸附量比各种工业类型样品高35%以上。 通过对制备羟基磷灰石的3种液相沉淀法进行比较研究,选择共沉淀法制备羟基磷灰石型环境功能材料。通过模拟计算与实验相结合的方法,发现在共沉淀反应过程中,首先形成的是CaHPO4·2H2O沉淀,然后通过CaHPO4·2H2O水解形成羟基磷灰石。快速提高反应过程中的pH值有利于提高羟基磷灰石的成核速率与成核密度、降低临界晶核的半径,获得结晶粒度细小的羟基磷灰石粉体。通过对加料速度、加料方式、Ca-P溶液初始浓度、以及陈化的温度、时间与pH值等工艺条件进行研究,制备出了比表面积较高、分散性较好的纳米结构羟基磷灰石粉体,其Cd2+吸附量提高了38%以上。 采用共沉淀法制备了Ca5-xSrx(PO4)3OH、Sr5-xBax(PO4)3OH以及(Ca10(PO4)6-x(SiO4)x(OH)2-x)等3种离子替换型羟基磷灰石。阳离子替换型羟基磷灰石的晶胞参数与大离子含量呈近线性的正相关关系。Ca5-xSrx(PO4)3OH的结构有利于吸附水溶液中的Cd2+,而Sr5-xBax(PO4)3OH不适于处理含Cd2+废水。 通过对硅羟磷灰石的热稳定性与结构演化进行研究,阐明了Si044-替换PO43-的机制。在共沉淀反应过程中,硅以SiO44-、HSiO43-两种形式进入硅羟磷灰石的晶格,在煅烧过程中可发生缩聚反应形成Si2O76-。掺硅有效抑制样品了在煅烧过程中的晶体生长,降低了结晶粒度、提高了比表面积。在900℃煅烧2h后的样品中,硅羟磷灰石的Cd2+吸附量比羟基磷灰石提高了75%以上。 磷灰石的Cd2+吸附量随着溶液初始pH值的提高总体呈上升趋势,适用于弱酸性到碱性环境。磷灰石去除水溶液中Cd2+的过程符合准二级动力学反应模型,羟基磷灰石与硅羟磷灰石的Cd2+吸附特性与Langmuir等温吸附方程具有良好的相关性,反映了离子交换作用是磷灰石型环境矿物材料去除水溶性Cd2+的主要机制。
【图文】：
在偏光显微镜下，胶磷矿颗粒主要呈不规则团粒状（凝胶状、块状、内碎屑、生物屑、鲕粒）（附图3-1?3)、条带状以及纤维状（附图3-4?6)产出，在单偏光下呈浅褐色?深褐色，正交偏光下则基本全消光。在描述磷块岩中CFA的工艺矿物学特征时，如果不加以说明，，一般指的都是光学显微镜下可以直接观察到的胶磷矿颗粒。根据胶磷矿颗粒的粒度大小，可以将其划分为不同粒级（表3-3)，磷块岩中的常见脉石矿物石英属于陆源碎屑，也按同样的粒级标准来进行分类（表3-3) [264]。通过对挑选出来的磷块岩样品进行SEM分析，可以观察到胶磷矿颗粒实际上为纳米（图3-1)与亚微米级（图3-2)超细CFA粒子集合体
-1-14-1 :..图3-1包裹少量杂质成分的纳米结构胶碍矿颗粒的SEM照片（a)与能谱分析结果（b)Fig.3-1 SEM micrograph (a) and EDS results (b) of nanostructured collophane enclosing smallamount of impuritiesT'Ik w “。=(』,。“。，V ^ .... -SiShelF^?图3-2包裹片状枯土矿物的亚微米结构胶墙矿颗粒的SEM照片（a)与能谱分析结果（b)Fig.3-2 SEM micrograph (a) and EDS results (b) of submicron-stmctured collophane enclosingflake-like clay mineralsa惪檠抑谐四擅
本文编号：2682294
【图文】：
在偏光显微镜下，胶磷矿颗粒主要呈不规则团粒状（凝胶状、块状、内碎屑、生物屑、鲕粒）（附图3-1?3)、条带状以及纤维状（附图3-4?6)产出，在单偏光下呈浅褐色?深褐色，正交偏光下则基本全消光。在描述磷块岩中CFA的工艺矿物学特征时，如果不加以说明，，一般指的都是光学显微镜下可以直接观察到的胶磷矿颗粒。根据胶磷矿颗粒的粒度大小，可以将其划分为不同粒级（表3-3)，磷块岩中的常见脉石矿物石英属于陆源碎屑，也按同样的粒级标准来进行分类（表3-3) [264]。通过对挑选出来的磷块岩样品进行SEM分析，可以观察到胶磷矿颗粒实际上为纳米（图3-1)与亚微米级（图3-2)超细CFA粒子集合体
-1-14-1 :..图3-1包裹少量杂质成分的纳米结构胶碍矿颗粒的SEM照片（a)与能谱分析结果（b)Fig.3-1 SEM micrograph (a) and EDS results (b) of nanostructured collophane enclosing smallamount of impuritiesT'Ik w “。=(』,。“。，V ^ .... -SiShelF^?图3-2包裹片状枯土矿物的亚微米结构胶墙矿颗粒的SEM照片（a)与能谱分析结果（b)Fig.3-2 SEM micrograph (a) and EDS results (b) of submicron-stmctured collophane enclosingflake-like clay mineralsa惪檠抑谐四擅
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