文摘
采矿业产生大量的废弃物作为尾矿。尾矿的不利的环境影响。本研究探讨了巴伯顿的利用率和稳定金矿尾矿(格林尼治时间)和氧气顶吹转炉炉渣(转炉)综合地质聚合物为其他应用程序。地球化学、化学和GMT的岩土特性,转炉,GMT地质聚合物,和格林尼治时间:转炉地质聚合物也被研究。氢氧化钠(氢氧化钠)和氢氧化钾(KOH)作为碱性催化剂。最高的无侧限抗压强度(UCS)记录了地质聚合物格林尼治时间为5天治愈90°C的温度升高4.31 MPa和6.59 MPa氢氧化钠和KOH,分别。格林尼治时间:转炉地质聚合物达到20.0 MPa和25.7 MPa的UCS,氢氧化钠和KOH,分别在同一养护条件。绑定的特征表明,转炉是良好的钙源,对地质聚合物凝胶有积极影响的平衡离子的指控。发达格林尼治时间:转炉地质聚合物满足最低要求nonfacing建筑砌体规定的ASTM C34-17a ASTM C129-14c 0076 a, 227: 2007和无烧粘土圬工单位和我可以用作回填粘贴和轻量级的民事应用程序。地质聚合物通过毒性浸出过程特征(TCLP),结果产生了低重金属浓度,表明对环境地质聚合物不会浸出。
1。介绍
矿山尾矿是主要矿业产生的废物。这种浪费和我通常被掩埋的转储。用垃圾填的主要挑战是由于水和土壤环境污染和空气污染。一些尾矿拉登当排入河流污染水,影响水生生物和动物。许多矿山尾矿含有重金属有可能浸出环境、污染地表水(1]。在南非,有超过500个金矿尾矿(格林尼治时间)占领的土地,与对环境的不利影响。三种方法被报道为解决减少矿山尾矿带来的环境影响:(1)我的隔离,(2)矿山尾矿的化学稳定性,(3)这两种方法的结合2,3]。尾矿带来的隔离技术,如尾矿的约束限制尾矿通过构造一个系统类似于垃圾填埋场关闭(4]。在化学稳定过程中,重金属是由胶结材料或化学物质引入动员矿山尾矿(1]。这个过程可以通过化学反应和/或物理封装(1]。在过去的二十年里,稳定矿山尾矿的惯例是通过利用火山灰石灰和水泥等材料(5- - - - - -11]。其他研究人员已经研究了使用废物如铝、粉煤灰和矿渣作为稳定剂12,13]。随着众多的发展技术,geopolymerization或碱性激活报道最有前途的环保和经济技术有效地稳定矿山尾矿。这个过程还允许对该矿尾矿用于其他应用程序作为巩固了粘贴14]。据报道,首批国家巩固了尾矿膏用作填料是澳大利亚,德国,和北美(15]。在世界范围内,已报告100多巩固了粘贴回填工厂是活动的(14]。矿山尾矿的利用必须建立和巩固了粘贴减少尾矿管理在陆地上(16]。此外,波特兰水泥的替代新创新材料将大大有助于减少温室气体,即浪费是用来代替水泥。
geopolymerization需要凝胶的形成的过程,表面上我的尾矿,凝胶粒子结合在一起(1]。地质聚合物是一种无定形的粘合剂,其形成是深受碱激活高pH材料含有二氧化硅和氧化铝和治愈在室温或稍升高温度(17]。在地质聚合物的发展,有一种无形的或semiamorphous结构是由氧化铝的激活silicate-containing材料在碱性环境中(18]。地质聚合物具有较高的吸附容量,可以固定污染物如重金属19];因此,这使得成为一个可持续发展的解决方案,有效地解决地质聚合物的挑战与格林尼治时间有关。Kiventera et al。20.]研究利用黄金尾矿为原料地质聚合物的发展。只使用原始格林尼治时间获得的无侧限抗压强度在1.3 MPa和3.5 MPa之间。格林尼治时间的碱性激活和粒状高炉矿渣的加入(GBFS),强度达到1.8 MPa, 25 MPa,表明碱性激活显著提高地质聚合物格林尼治时间的力量。研究人员还得出结论,通过碱性激活,绑定有足够强度的材料运用在建筑业形成(20.]。在这项研究中由Aseniero et al。21格林尼治时间),利用作为geopolymeric源材料,尾矿样品使用的硅/铝比为4.81。地质聚合物合成砖的强度达到5.48 MPa (21]。格林尼治时间调查的碱性激活inertization作为一个选项,由Kiventera et al。20.通过geopolymerization],显示,重金属如铜、镍、铬、锰、锌完全固定。
氧气顶吹转炉炉渣(转炉)钢铁制造业的副产品。钢铁行业是最大的浪费生产商之一。全球钢铁工业渣输出据报道每年超过16亿吨(22]。在南非,生产铁世界钢铁协会统计数据显示,新一代的3700万吨的高炉矿渣12年(23]。格林尼治时间和转炉污染环境因为污染物的材料。因此,这两个材料是增效至关重要。
在研究增强颗粒铜渣的火山灰活动通过添加氧化钙(曹),冯et al。24)报道,20%的曹,砂浆的强度活动指数增加,证实了改进修改后的渣。地质聚合物使用锂渣和氢氧化钠(氢氧化钠)作为催化剂合成了他et al。25]。开发的粘结剂被用来取代火山灰硅酸盐水泥的30%。氢氧化钠显示最高强度高的标本在28 - 32.3 MPa和39.7 MPa和56天治疗,分别。获得的结果就像PPC标本的强度为33.4 MPa和41.8 MPa,类似的固化时间(25]。粒状高炉矿渣是由氢氧化钠碱性激活和KOH开发建设和建筑材料26]。磷尾矿是碱性激活使用氢氧化钠,渣添加调整凝胶结构(27]。结果表明最优混合设计的力量渣尾矿60%和40%。增量的矿渣混合料配合比设计,形成N-A-S-H和C-A-S-H凝胶(27]。粉煤灰和地面粒状高炉矿渣用于开发地质聚合物粘贴,使用氢氧化钠和硅酸钠(Na2SiO3)作为活化剂(28]。的设置时间粘贴和Na的增加减少2SiO3浓度。氢氧化钠浓度的增加导致减少设置时间和一致性(28]。焦et al。29日]研究了碱性催化剂用量对碱性激活的属性组成的高炉矿渣使用催化剂氢氧化钠和Na2SiO3。抗压强度的影响,得到了55 MPa在天养护,最大强度102 MPa (29日]。
碱性激活的黄金尾矿开发一种粘结剂并不是一个新概念。通过碱性硅酸的黄金尾矿转化为附加值产品激活使用两种混合物含有氧化钙,酸酐,和水泥30.]。氢氧化钠和Na2SiO3应用作为inertization黄金尾矿的新选项,和材料首先激活热水地在200°C的温度31日]。重金属和硫酸盐被固定在黄金尾矿使用水化行和氢氧化钠/ Na2SiO3催化剂(32]。地质聚合物合成了碱活化的黄金尾矿利用水泥、氢氧化钠和Na2SiO3(33]。尾矿是在高温预处理500°C以上(33]。这些最新发展黄金尾矿的激活,这表明,催化剂广泛研究与硅酸钠的碱性催化剂。有研究报道硅酸钠作为一个最昂贵的碱性催化剂,具有高环境影响(20.,34]。其他报告研究表明增加水泥的混合设计和初加工黄金尾矿在升高的温度下,能源密集型。生产水泥的贡献者之一全球变暖的温室气体的排放。估计有48亿吨的有限公司2气体被排放到大气中的水泥行业在2020年(35]。
在这项研究中,格林尼治时间被激活没有添加硅源,如硅酸钠。硅酸盐是格林尼治时间研究的来源,因为他们由SiO的含量高2/铝2O3。提高地质聚合物的性质发展,转炉被纳入混合设计。氢氧化钠和氢氧化钾(KOH)分别研究了碱性催化剂,并进行比较研究来确定激活,产生最好的结果。
氢氧化钠和KOH是常用的碱性催化剂。其他催化剂可用于geopolymerization过程氢氧化钙Ca(哦)2。geopolymerization过程,Na+和K+从碱性催化剂电荷平衡多余的四面体负电荷,纳入硅酸铝网络。电荷平衡使用Ca2 +并产生相同的结果作为一个电荷保留在系统中。值得注意的是,有两个流程生产Ca(哦)2,这是通过石灰水化或氢氧化钠和氯化钠的反应。利用后者的石灰过程将成本高昂,氢氧化钠已经参与了反应。主传动为选定的碱催化剂是减少二氧化碳,排放在石灰生产的过程。
在这项研究中使用的现成的格林尼治时间有硅酸铝比为4.75;这使得geopolymerization格林尼治时间尾矿可持续的解决方案来处理垃圾。发达地质聚合物同时进行了对潜在的环境影响。本研究提出了两种材料的整体选矿,造成环境污染,并提供一个新颖的解决方案替代成本效益和环保的建筑材料。
2。材料和方法
2.1。材料
gmt是来自南非的普马兰加地区的矿业公司。GBFS来自于一位钢铁制造公司。在实验之前,基线进行了测试研究地球化学和岩土材料的属性。氢氧化钾(KOH)和氢氧化钠(氢氧化钠)作为碱性催化剂。
2.2。地质聚合物的发展
格林尼治时间来确定最佳比例的发展:转炉地质聚合物,最大干密度(MDD)和最佳大多数内容(OMC)不同混合设计的格林尼治时间:转炉测定。产生最高的MDD的混合料配合比设计的用于碱性激活测试。研究了不同浓度的碱性催化剂,标本治愈在不同的温度下确定最佳固化温度,基于UCS获得。地质聚合物的最佳UCS进一步研究。图1显示了随访地质聚合物的发展过程。碱催化剂浓度的5米、10米、15米,和20 M进行调查,产生最好的结果的一个的被用于进一步的测试。0.2和固化温度的液体到固体比90°C的5天时间是固定的值作为初步研究,它是基于文学。液体到固体的影响比研究了不同比率在0.15,0.2和0.25的碱性溶液干燥原料(尾矿)。格林尼治时间:转炉地质聚合物,研究的比率是0.17,0.2和0.23提供更高的比率不可行贴。
2.3。描述
格林尼治时间的元素组成、转炉和地质聚合物开发研究了x射线荧光(光谱仪;Rigaku ZSX博智)。沙索公司样本和混合粉蜡。混合物是球状的,干在烤箱1小时,50°C的温度。干燥后,样品被放置在一个光谱仪隔间。光谱仪是配备了4千瓦Rh阳极x射线管结束窗口和动力60马的电流和电压40 kV,重元素。光元素动力在30千伏的电压和电流100毫安。x射线衍射(XRD);Rigaku天涯IV)被用来研究矿物学。CuK的x射线衍射仪α辐射40千伏的电压、电流的40 mA,测量时间的50年代,扫描范围4 - 100°C,和0.017°2θ应用步骤扫描。
研究了显微照片使用扫描电子显微镜(SEM);Tescan织女星3 XMU)。细碎的小样本碳涂层和安装在显微镜。
官能团是探测到傅里叶变换红外光谱(FTIR)。细碎的小样本放在红外光谱仪。
莫尔文粒度分析仪(水电2000 LV)被用来测量原料的粒度分布和发展地质聚合物(36]。复合材料受到毒性浸出特性过程(TCLP)来研究他们的可滤去。-75年开发了复合材料研磨至80%μm。包含氢氧化钠和乙酸缓冲溶液pH值为4.93±0.05,液体到固体阻比20:1是用来过滤材料(37,38]。分析了渗滤液从TCLP测试使用原子吸收apectroscopy (AAS)。
3所示。结果
3.1。元素分析和GBFS格林尼治时间
表1格林尼治时间显示的元素组成和转炉。格林尼治时间与二氧化硅(SiO成为主流2)、氧化铝(2O3),铁氧化物(铁2O3)、相对比例为57.9 wt. % 12.2 wt. %,分别和10.4 wt. %。SiO的比率2/铝2O3是4.75。使用的比率类似于格林尼治时间Aseniero等人报告4.81和接近geopolymerization[的推荐值21]。
没有检测到放射性核素在格林尼治时间,表明尾矿没有放射性。氧化钙(曹)、铁2O3、SiO2转炉的主要成分,46 wt. %的相对比例,29.6 wt. %,分别和10.2 wt. %。转炉的成分接近的元素组成转炉报道Sithole et al。39),即转炉的主要成分是曹、铁2O3、SiO251.81 wt. %的相对比例,24.6 wt. %,分别和7.7 wt. %。类似的结果贝勒哈吉et al。40),三种类型的转炉研究了活化与曹成为主流,铁2O3、SiO2。
SiO2/铝2O3在转炉计算是1.42,小于格林尼治时间。
3.2。矿物学和GBFS格林尼治时间分析和红外光谱
格林尼治时间的XRD和红外光谱分析原始和转炉呈现在图2。
(一)
(b)
是在格林尼治时间的元素分析,发现最高峰测量在2θ21日和26日,显示石英(SiO2)是主要的结晶相。这些结果类似于格林尼治时间的矿物学研究[19]。也有少量的石膏在格林尼治时间的相组成。Kiventera et al。20.]分析了金矿尾矿从芬兰,他们的研究结果类似于这些的阶段识别包括石英、钠长石和石膏。
转炉的XRD模式表明,主要矿物相是硅酸钙(CAS)、曹,小阶段的方镁石(分别)和铁3O4。铁的存在3O4转炉显示材料磁性,这导致破碎困难(40]。硅酸钙氧化物组成通常出现在,转炉炉渣(41),在本研究中使用的转炉也发现。
红外光谱谱格林尼治时间的主要特点是中央乐队在2400厘米左右−1。乐队转移到低波数约为1000厘米−1报告的,类似于格林尼治时间红外光谱光谱(19),这是归因于Al-O-Si或Si-O-Si。转炉的主要光谱波数的大约1300厘米−1和800厘米−1。虽然虚弱,但峰值约2300厘米−1对应采用(42]。
3.3。显微照相的格林尼治时间和转炉
格林尼治时间的显微照相和转炉呈现在图3。
(一)
(b)
显微照相展品格林尼治时间密集的水晶粒子不规则形状。格林尼治时间也有小的和大的粒子,表现出颗粒形状(21]。涂层表面的纹理与Si,也是发现的元素组成和矿物学是石英。
转炉表明,材料的显微照相nonspherical玻璃微观结构的不规则形状。表面粗糙和多云的纹理也是明显的,这可以归因于曹(43,44),观察也报道45]。Ca是遍布颗粒,主要发现在更大的粒子。之前,格林尼治时间的微观结构和BFS geopolymerization过程,显示松散颗粒,其指标转化为被紧凑,空间由于地质聚合物凝胶的形成26),geopolymerization后呈现在图4。
(一)
(b)
(c)
(d)
3.4。格林尼治时间界限含水量和比重和转炉
表2介绍了液限(LL),塑性极限(PL),和比重(SG)的格林尼治时间和转炉。格林尼治时间和转炉不是塑料材料,分别为17日和13日噢。研究了尾矿也无塑性的(46]。艾哈迈德和Siddiqua46]报道SG(格林尼治时间3.1728),一个值略高于测量GMT在这项研究。转炉的SG是类似于SG观察到郭et al。47),报告一个值为3.31。
3.5。Geopolymerization格林尼治时间和转炉
3.5.1。最大的干密度(MDD)和最佳含水量(OMC)的格林尼治时间和转炉
格林尼治时间的MDD和OMC:转炉的混合料配合比设计进行了研究,以确定最佳MDD。获得的结果呈现在图5。
(一)
(b)
MDD的格林尼治时间1740公斤/米3和OMC的15.4。包含格林尼治时间50%和50%的混合料配合比设计转炉取得了最高的MDD。格林尼治时间减少内容的混合设计导致了增量在MDD中到2015公斤/米3和13.66,OMC 50格林尼治时间:50转炉标本。成分:格林尼治时间50 50转炉当时用于地质聚合物的发展。
3.5.2。碱性催化剂的浓度的影响在UCS格林尼治时间开发和格林尼治时间:转炉地质聚合物
格林尼治时间的MDD和OMC:转炉的混合料配合比设计进行了研究,以确定最佳MDD。确定催化剂产生最佳结果,氢氧化钠和KOH用作催化剂。的浓度5米、10米、15米,20米为活化剂进行调查。图6不同活化剂浓度显示获得的UCS当追究格林尼治时间与格林尼治时间:转炉地质聚合物。发达地质聚合物治愈在升高的温度下60°C, 90°C, 120°C。90°C的温度是产生最高的UCS的最适温度的。
(一)
(b)
数据6(一)和6 (b)显示GMT地质聚合物的UCS和格林尼治时间:转炉地质聚合物,分别用不同浓度的KOH和氢氧化钠。地质聚合物格林尼治时间,UCS 6.59 MPa达到10米KOH和4.31 MPa 15 M氢氧化钠。KOH表现优于氢氧化钠。UCS逐渐增加,当氢氧化钠的浓度下降和KOH增加到20 MPa。
格林尼治时间:转炉地质聚合物,UCS显著增加到25.7 MPa在10米KOH和19.97 MPa 10 M氢氧化钠。获得了最佳UCS活化剂的浓度的10 M, KOH也产生了UCS最高。Falayi [48UCS)将增加与增加KOH /氢氧化钠的可用性羟基离子溶解SiO2,艾尔。2O3和曹。减少在UCS已达到最佳强度,这是归因于免费的Ca2 +离子的溶解曹(48]。
3.5.3。矿物学的格林尼治时间与格林尼治时间:转炉地质聚合物的最佳条件
XRD分析GMT和格林尼治时间:转炉地质聚合物呈现在图7。
(一)
(b)
的矿物学geopolymerized格林尼治时间显示了减少结晶相当氢氧化钠和KOH介绍了格林尼治时间。这可以归因于溶解缩聚反应,导致地质聚合物凝胶的形成49]。莫斯科和石膏的山峰在格林尼治时间是10 - 2θ减少碱性激活。格林尼治时间的力量:转炉地质聚合物大于GMT地质聚合物的UCS,如图6。在格林尼治时间:转炉地质聚合物,新产品C-S-H / C-A-S-H凝胶在地质聚合物的矿物学明显,这就是导致UCS就越高。也有减少结晶相比较地质聚合物由氢氧化钠和KOH时峰值。
3.5.4。红外光谱的格林尼治时间与格林尼治时间:转炉地质聚合物的最佳条件
格林尼治时间的红外光谱和格林尼治时间:转炉地质聚合物呈现在图8。
(一)
(b)
红外光谱的格林尼治时间和地质聚合物激活15 M氢氧化钠展出弯曲在同一波长。在地质聚合物从10米KOH,乐队完全消失了。
格林尼治时间:转炉地质聚合物,地质聚合物与10 M氢氧化钠显示类似于转炉乐队。使用10米KOH为活化剂的地质聚合物表现出一个新成立的乐队的波长约2300厘米1。乐队在波长为1000厘米−1明显在格林尼治时间和CMT:转炉地质聚合物可以分配给Si-O-Si债券(49]。
3.5.5。显微照相的格林尼治时间与格林尼治时间:转炉地质聚合物的最佳条件
格林尼治时间的显微照相和格林尼治时间:转炉地质聚合物呈现在图4。
地质聚合物格林尼治时间激活的显微照相与氢氧化钠和KOH显示颗粒松散。格林尼治时间:转炉地质聚合物激活与氢氧化钠和KOH展览材料压实,与颗粒密集。的EDS NaOH-activated格林尼治时间图4(一)介绍了Na-Si-Al阶段地质聚合物结构。这种现象也观察和报道Demir和Derum19),他认为geopolymerization反应发生的铝硅结构在格林尼治时间,然后激活的氢氧化钠溶液。胶状物质,表明地质聚合物凝胶的形成也是可见的所有地质聚合物的发达。没有可见的裂缝地质聚合物。Zhang et al。50)报道,在碱性激活我的尾矿和粉煤灰,由于激活因为使用的氢氧化钠,有更多的地质聚合物凝胶。
3.5.6。毒性浸出过程(TCLP)地质聚合物的特征
格林尼治时间TCLP结果地质聚合物和格林尼治时间:转炉地质聚合物呈现在图9。
地质聚合物的可滤去使用氢氧化钠和KOH为所有开发的最佳条件进行了研究。根据获得的结果,只有铁的渗滤液被检测出的痕迹。铁的浓度在所需水平,谁规定的(51]。没有与开发地质聚合物相关联的潜在风险。其他金属铜和锰等低于最低检测限度。这表明可以利用开发的地质聚合物对环境不构成任何威胁。
4所示。结论
稳定的研究调查了金矿尾矿(格林尼治时间)通过应用一个碱性激活过程和研究氢氧化钠和KOH为活化剂的氧气顶吹转炉炉渣(转炉)。GMT-based和格林尼治时间:BOFS-based地质聚合物。格林尼治时间不稳定产生的最高强度6.59 MPa。混合和转炉格林尼治时间大幅提高了地质聚合物的UCS,和强度最高的25.71 MPa。KOH证明更好的催化剂与氢氧化钠相比。UCS获得的格林尼治时间与格林尼治时间:GBFS地质聚合物满足最低要求的地质聚合物用于承载应用程序的构建和建设。地质聚合物的可滤去测试表明发达地质聚合物是环保的,不构成任何潜在的环境风险。
进一步的研究应该进行评估水化热力学和地球化学模拟浸出特性,可以定量分析水化产物在不同水化时间和浸出值,利用作者提出的方法(52]。因此,地质聚合物可滤去将进一步研究相比TCLP测试和模拟,全面探索浸出的风险。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
信息披露
资助者没有作用的设计研究;在收集、分析或解释数据;写的手稿,或决定发布结果。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
作者的贡献
T.M.和T.S.负责概念化。T.M.,J.S., and T.S. were responsible for methodology. T.M. and T.S. validated the study. T.M., J.S., and T.S. performed formal analysis. T.M. and T.S. investigated the study. T.M. provided resources. T.M., J.S., and T.S. were responsible for data curation. T.M. and T.S. were responsible for original draft preparation. T.M. and T.S. visualized the study. T.M. was responsible for funding acquisition. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.
确认
作者要感谢大学下的南非约翰内斯堡和国家研究基金会授予独特的数字112237年和121885年的财政支持。