矿物聚合物泡沫

文 |怪谈Talk

编辑 | 怪谈Talk

前言

研究了利用再生铝工业的筛选、热解、除尘和熔融过程中的副产物合成的地质聚合物泡沫，根据生产新技术材料的循环经济原则，实验研究涉及通过回收、化学中和以及将这些相对危险的废物纳入政府部门来管理工业副产品。

地质聚合物基质由偏高岭土(MK)和石英砂(SA)组成，重量比为1:1%的比例，和短切碳纤维(CFs，1 wt .% MK)掺杂有不同的富含铝的工业副产物，其百分比为1至10重量%。

在副产物的化学中和过程中产生的气体(主要是氢气)代表捕获在地质聚合物结构中的发泡剂，进行了几个实验测试来表征GFs的机械性能(弯曲、压缩和夏比冲击强度)和热性能(热导率、扩散率和比热)。

结果表明玻璃纤维具有良好的机械和隔热性能，鼓励未来的研究人员寻找再生铝工业不同副产品的最佳组合,以生产轻质矿物聚合物泡沫。

这些工业副产品的再利用，根据欧洲法规，不能在垃圾填埋场处理，也将环境可持续性和工作场所危险材料的安全管理结合起来，以开发新材料。

地质聚合物是一种引人注目的材料，因为它们具有良好的性能，如高机械强度、低热导率、高热稳定性、良好的耐火性和耐酸性，此外，低密度地质聚合物具有几个优点，是可应用于许多领域的材料。

特别是，地质聚合物泡沫(GFs)可用作建筑材料、隔热材料、吸附剂、催化剂和填料，由于导热率低，它们专门设计用于绝缘和防火，此外，从经济和生态的角度来看，与波特兰水泥相比，它们还具有几个优点。

研究涉及再生铝工业副产品的可持续回收和再利用，这些副产品被捕获在地质聚合物结构中作为发泡剂，该过程可通过在地质聚合过程中富含金属铝的材料的化学中和(氧化)来实现。

再生铝工业的前途和应用

工业副产物和地质聚合物的粘合剂(偏高岭土和碱性活化剂)之间的相互作用将产生气体(主要是氢气)，形成气泡，导致GFs的低密度。

关于再生铝生产的废物管理，众所周知，世界各地的工业都会产生大量的副产品，因为回收过程需要预处理，以获得适合熔化、精炼和铸造的废料，再生铝工业的主要副产品来自混合、粉碎、筛选、热解、铝熔化、由装饰机和离心除尘器收集的烟气消除。

欧洲法规将富含铝的废料归类为特殊危险废物，可产生可燃气体并与空气形成爆炸性混合物，合理地说，这些来自再生铝工业的工业副产品显示出不符合非危险废物填埋场设施的洗出液，根据为其可接受性建立的标准。

这些副产品非常危险，因为它们含有大量金属(原铝),这些金属会引发与潜在氢释放源相关的反应。

再生铝工业回收过程中产生的工业副产品的再利用是对创造可持续经济增长需求的重要回应，其基础是减少自然资源和最大限度地减少废物产出。

如今，不可再利用材料如废铝的仅有的三种消化方案是需氧/厌氧生物氧化冷系统，气化、热解或热焚烧系统，以及填埋处置，这指定了主要的解决方案。

为了避免这些方法，讨论了废物再利用的良性替代方案，如具有良好隔热和隔音性能的地质聚合物泡沫，减少热量损失，并增强建筑物的隔音性能。

此外，地质聚合物最有前途的应用之一是用作废物封装基质，这些粘合剂可以激活多种无机废料的几种化学和物理固定机制，几项研究调查了阳离子的固定，主要是重金属或甚至放射性废物，特别是来自再生铝工业过滤器的粉尘，作为生产矿物聚合物泡沫的原料。

将废料转化并在结构上将硅铝酸盐前体和碱性活化剂重组为地质聚合物的过程称为地质聚合，铝硅酸盐解聚在相同的化学中和实验条件下发生，形成过饱和铝硅酸盐溶液和地质聚合物缩合。

它强烈依赖于化学成分、固/液比、pH值和热力学，硅胶形式重新排列自身，产生三维结构，铝和硅离子是四面体配位的，而碱平衡与离子交换相关的电荷。

对分铝硅酸盐粘合剂进行测试

无机双组分铝硅酸盐粘合剂，是一种基于偏高岭土的双组分铝硅酸盐粘合剂，由含水碱性活化剂(B部分)活化，这两种组分的混合比是根据制造商的要求得出的。

在制备基于无机聚合物的粘合剂混合物时，通常使用5重量份的A部分和4重量份的B(活化剂)，石英砂被用作聚合，弹性模量高达230 GPa、抗拉强度为3500 MPa的短切碳纤维被用作增强材料。

各种富含铝的副产品用作添加剂以使地质聚合物发泡，使用特定的分析技术对原材料进行研究，以确定随后显示的化学成分，并用于实验室实验的计划，通过ICP-MS对再生铝工业的副产品进行化学分析，几乎全部采用多酸(氢氟酸、硝酸和高氯酸)消化。

数据处理使得能够对铝加工炉渣中的危险化合物进行定量评估，这在再利用时是至关重要的，根据规范性要求对样品进行分类的环境评估和授权，欧洲工业用它来发布综合环境授权(AIA)，在环境安全和污染控制上。

富含铝的副产品用作矿物聚合物填料的材料来自再生铝工业的主要过程:筛选过程，热解过程，熔融过程。

FG和UBC的首字母缩略词来自粗粒的家用电器废料和城市饮料罐，它们是用于回收的主要材料。

FG(2.52-893.37米)和V . UBC代表再生铝工业筛选过程的副产品，V.FG中的矿物相为金属铝和金红石，而V.UBC中的矿物相为金属铝、石英、方镁石和卡林，铝含量分别为125，468 ppm和180，638 ppm。

D.FG(0.40-56.37米)和UBC(0.40-355.66米)在热解过程中产生，它们的铝含量分别为32，204 ppm和40，198 ppm，在这两种材料中检测到的主要矿物相是铝、portlandite、金红石和CaClOH。

C.FG(0.40-355.66米)和C . UBC(0.45-632.46米)的铝含量分别为73，296 ppm和62，333 ppm，矿物相是铝方解石、金红石、石墨、铁白云石和锌。

二次铝熔炼过程中的工业副产品，FG(0.40-158.87米)和FFUBC(0.40-63.25米)，铝含量为14，549 ppm和6636 ppm，矿物学模式为金属铝、石盐、钾盐和波特兰石。

地质聚合物合成的实验程序

合成了几种地质聚合物，以研究富铝副产物对几种物理性能的影响:弯曲强度、抗压强度、夏比冲击强度、热导率、比热和热扩散率。

为此，偏高岭土(MK)，(Al2O340.1%;SiO2:54.1%)在碱性活化过程中用作前体材料，使用氢氧化钾水溶液(A) (pH 11) ，此外，短切碳纤维显示出增加材料机械性能的证据，用于REF-2地质聚合物和地质聚合物泡沫中，其中铝废料代表用于发泡的添加剂。

先前描述的富铝副产品将起到发泡剂的作用，产生H2-地质聚合物结构中的富集气袋，使材料更加多孔，因此更轻。

发泡过程涉及铝和碱性水溶液的相互作用，其中氢氧化钾发生反应，形成四羟基铝酸盐和氢气，铝发生氧化，所涉及的初级反应由反应(1)描述:

将偏高岭土(MK)和碱性活化剂(A)混合约5分钟以获得均匀的灰浆，接着，加入短切碳纤维(CFs ),混合2分钟，加入硅砂(SA)并混合3分钟，最后，每个工业副产品混合2分钟以制备不同的玻璃纤维。

混合后，将地质聚合物砂浆倒入尺寸为30 × 30 × 150 mm(用于三点弯曲试验和压缩试验)、19 × 20 × 60 mm(用于夏比冲击试验)和100 × 100 × 100 mm(用于热分析)的模具中。

使用聚丙烯薄膜覆盖这些样品，并在室温下固化约24小时，此后，将样品从模具中取出，再次使用聚丙烯薄膜包裹，并在分析(标准EN 12390-3:2019)之前在室温下保持28天。

使用了两种类型的参考样品，第一种标记为REF-1，是通过混合偏高岭土、碱性活化剂和硅砂制备的，标记为REF-2的第二个参考样品是通过添加短切碳纤维获得的。

引入名称编码系统以区分地质聚合物，第一部分表示添加的工业副产品的类型(例如，V.FG ),第二部分表示其百分比(1、2、3、5和10 wt)指的是偏高岭土(MK)(例如，V.FG-1)。

一个已知的热源产生一个波，沿径向传播到样品中，电能的耗散产生了通过与材料直接接触的探头和串行端口(RS-232C协议)的热流，材料上特定点的半导体传感器采样温度随时间的变化，温度随时间的对数线性上升。

结语

研究涉及通过添加再生铝工业的富铝副产物获得的GFs的机械(弯曲、压缩、夏比冲击强度)和热(热导率、比热、热扩散率)性能。

根据欧洲法规，这些工业副产品不能填埋，因为它们被归类为特殊危险废物，会产生可燃气体并与空气形成爆炸性混合物，危害主要来自金属铝氧化产生的氢气。

然而，如果在合成地质聚合物时发生产生氢气的反应，副产物本身经历化学中和，并且富氢气体被用作发泡剂来改变标准地质聚合物的结构。

特别是，作品突出了FF与REF-1和REF-2相比，来自再生铝工业的熔融过程的UBC副产物是最适合改善地质聚合物的机械性能的材料，因此，它是发泡轻质地质聚合物的合适原料。

此外，在掺有来自再生铝工业除尘(cyclons)过程的副产品C.FG和C.UBC的玻璃纤维增强塑料中，观察到热导率、比热和热扩散率显著降低，从而强调了良好的隔热性能。

该研究揭示了使用地质聚合物泡沫作为替代建筑材料找到了平衡机械和热性能并保证复合材料可用性的折衷方案。

为此，未来的研究将集中在混合三种副产品，保持建筑材料的良好机械性能，并赋予GFs优异的隔热性能，这些性能表征导热率≤ 0.9 W/mK的地质聚合物泡沫的A-D组。

因此，最后的评论是针对回收和处理再生铝工业的几种副产品，其中大部分不适合填埋处理，开发具有良好机械和隔热性能的建筑材料，通过合成玻璃纤维来收集有害的工业副产品。

在循环经济的框架内，将工业副产品重新用作新技术材料的资源，将再生铝工业工作场所的环境可持续性和安全性结合起来。