煤矸石聚空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合材料的力学性能与吸附机理

Geopolymer have attracted a lot of attentions for low cost forming complex shape components and water adsorption applications due to their three dimensional pore network structure. However, low mechanical properties and brittle failure nature of this kind of materials have limited their practical applications. In this project, based on the high strength and good adsorption properties of the coal gangue ploy-hollow sphere, we prepared the coal gangue ploy-hollow sphere/geopolymer composites with uniform distributed spheres, excellent mechanical properties and adsorption properties. We will investigate the effects of sphere pore structure, content and particle size on the microstructure, mechanical properties and adsorption performance of heavy metal ions of the composites, illustrate the strength and adsorption mechanism of the composite material, reveal the intrinsic relationship between composition, microstructure and properties of such kind of materials, and provide theoretical and technical support for recycling of solid waste, designing porous geopolymer and properties optimization.

铝硅酸盐聚合物具有特殊三维网络凝胶结构且分布着毛细孔道，具有一定的吸附及传导作用，在低成本成型复杂形状构件及污水吸附方面具有重要潜在应用价值，然而其本征脆性和低强度严重制约了该材料的广泛应用。本申请拟利用煤矸石聚空心微珠的高强度及吸附特性，将其引入铝硅酸盐聚合物基体中制备得到均匀分散的煤矸石聚空心微珠/铝硅酸盐聚合物多孔复合材料，获得兼具优良力学性能与吸附功能的多孔材料。系统研究聚空心微珠孔结构、含量和粒径对复合材料的显微结构、力学性能及和对重金属离子的吸附性能的影响规律，阐明复合材料的断裂机制与吸附机理，揭示材料组织、结构和性能三者之间的内在联系，为固体废弃物的回收利用及多孔铝硅酸盐聚合物材料的结构设计及功能优化提供理论依据和技术支撑。

铝硅酸盐聚合物作为一种新型绿色环境友好材料，其特殊三维网络及毛细孔道结构使其具有吸附及传导作用。针对铝硅酸盐聚合物的力学与吸附功能的协同发挥这一问题，本项目创新性地提出利用煤矸石聚空心微珠的高强度及吸附特性，制备煤矸石聚空心微珠/铝硅酸盐聚合物多孔复合材料，满足吸附剂成型及吸附要求。研究结果表明，通过喷雾干燥结合后续煅烧可获得孔隙结构可调的煤矸石聚空心微珠。微珠表面呈片状组织杂乱分布，内部蓬松多孔，随煅烧温度的升高，微珠表面平滑且孔隙缩小，中值粒径提高，孔隙以有序介孔结构为主，比表面积在800 ℃获得最大值11.98 m2/g，并随升温而降低。在制备复合材料的强碱性条件下，微珠未发生溶解并且与基体结合良好，制备的煤矸石聚空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合材料保持了铝硅酸盐聚合物典型非晶结构特点，添加微珠含量50 wt.%时分散均匀，加入适当温度（800-900 ℃）处理后的微珠获得的复合材料的比表面积提高，孔隙以介孔为主，表面富含多种官能团。微珠的加入降低了复合浆料的粘度，复合材料的强度和韧性受微珠煅烧温度和添加量的影响，并随煅烧温度（800-1000 ℃）提高而下降，随微珠添加量（6.25-37.5 wt.%）增加而提高。复合材料断裂机制为微珠断裂、基体裂纹间断钝化、裂纹的偏转与增殖等。复合材料对染料和重金属离子吸附较佳，吸附平衡时间短。复合材料吸附亚甲基蓝染料的过程复合伪二级动力学和Freundlich方程，为复杂的吸附模式；吸附多种重金属离子符合伪二级动力学和Langmuir模型，吸附量顺序为Pb2+>Cu2+>Cd2+>Zn2+，吸附性能的提高归因于聚空心微珠引入基体对其比较面积的提高，并形成多尺度孔隙结构。复合材料的吸附机理为以物理吸附为主，兼具静电吸引和离子交换等多种吸附机制共同作用。本项目开发的煤矸石聚空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合材料为固体废弃物回收利用和工业污水处理提供了一条新途径，同时也为多孔铝硅酸盐聚合物材料的结构设计及功能优化提供理论依据和技术支撑。