废弃玻璃渣的功能化制备与吸水性能研究_阿更兄.pdf

第 51 卷第 3 期2023 年 2 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.3Mar.2023废弃玻璃渣的功能化制备与吸水性能研究阿更兄1,马尚文1,刘福军2,任铁真3(1 巴音郭楞职业技术学院,新疆 库尔勒 841000;2 新疆交通厅,新疆 乌鲁木齐 831100;3 新疆大学化工学院,新疆 乌鲁木齐 831100)摘 要:随着人们对玻璃材料使用量的增加,产生了大量的废玻璃制品,其回收利用低,造成环境污染及资源浪费。通过以天然蛭石为造孔剂与玻璃复合,讨论质量和研磨时间对吸水性能的影响,吸附实验结果表明:蛭石的添加量为 40wt%,研磨时间为 6 min 时,其吸附率达 0.8 g/g-1,经过 20 次重复吸水循环使用后吸水仍保持率为 97.5%,具有良好的重复吸水稳定性,这一结果为多孔玻璃应用于吸附领域提供了参考依据。关键词:废弃玻璃渣;蛭石;吸水性性能中图分类号:TQ171.1+2 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)03-0076-03 基金项目:巴音郭楞职业技术学院科研基金项目(No:bykj2020n-17)。第一作者:阿更兄(1981-),女,讲师,研究方向为碳基废弃物资源化利用。Study on Functional Preparation and Water AbsorptionProperties of Waste Glass SlagA Geng-xiong1,MA Shang-wen1,LIU Fu-jun2,REN Tie-zhen3(1 Bayingol Vocational and Technique School,Xinjiang Korla 841000;2 Xinjiang Transportation,XinjiangUrumqi 831100;3 School of Chemical Engineering,Xinjiang University,Xinjiang Urumqi 831100,China)Abstract:With the increase of the use of glass materials,a large number of waste glass products were produced,and its recycling was low,causing environmental pollution and resource waste.By using natural vermiculite as pore-making agent and glass composite,the influence of mass and grinding time on water absorption performance wasdiscussed.The adsorption experiment results showed that when the dosage of vermiculite was 40wt%and the grinding timewas 6 min,the adsorption rate reached 0.8 g/g-1.After 20 repeated water absorption cycles,the water absorptionretention rate was 97.5%,which had good repeated water absorption stability.A reference was provided for theapplication of porous glass in the field of adsorption.Key words:waste glass slag;vermiculite;water absorption performance我国作为世界工业大国,加工制造业迅速发展,人民生活水平的提高促使存储包装等材料大量产生,相关废弃物也不断产生,其中玻璃器皿废弃物因无法迅速处理而大量堆积,在占用大量土地的同时,也影响环境危害生命有机体。废弃玻璃是城市生活垃圾的重要组成部分,属于低价值产品,回收利用比例较低,利用率只有其中的 13%15%,大部分未得到充分有效利用,大多数以填埋方式处理1-2。我国在 2017 年的废弃玻璃回收率为 45.2%,每年玻璃废弃量呈现上升趋势3,另外,我国回收处理废弃玻璃与世界平均水平仍然有很大差距4-7,需亟待提高综合利用率。废玻璃中主要成分为 SiO2、Al2O3、CaO、MgO 等,还有较多的 Na2O、K2O 等低熔点物质,这些化合物可以制备多孔玻璃作为助熔剂8-9。众所周知,玻璃基体是 60 70 mol%的 SiO2,废玻璃由于组成上的限制和析晶能力弱,不能直接用来玻璃陶瓷的制备,通常是在废玻璃中加入其它组分,熔成特定组成和有析晶能力的母相玻璃,再进行烧结析晶10。然而,酸熔融处理工艺要求设备具有耐腐蚀,且对环境有害,另外,高温烧结工艺耗能严重,1500 度左右的高温限制了多孔材料制备的工艺推广11-12。如何建立无机质密材料于多孔输送材料的相关性,拓展基础材料应用领域,一直是科研工作者关心的问题。玻璃废弃物的回收利用不仅有助于解决环境问题,而且对资源的可持续开发具有重要意义13-14,提高废玻璃回收利用是促进玻璃产业可持续发展的有效途径。本文通过选取无害环保方式,使用废弃玻璃制备低密度多孔材料玻璃粉,通过添加蛭石造孔剂和更改加工工艺制备多孔玻璃材料,研究了多孔玻璃材料的吸附性能,以期为废弃玻璃应用于吸附领域提供了参考依据。1 实 验1.1 原料制备选取新疆尉犁且干布拉克蛭石矿。将蛭石放入去离子水中,在磁力搅拌作用下去除蛭石表面的可溶性盐类等杂质,经第 51 卷第 3 期阿更兄,等:废弃玻璃渣的功能化制备与吸水性能研究77 多次清洗至清澈,记为 ZC。以同样方法将选取的废弃玻璃清洗干净,记为 BC。后放入 70 的鼓风干燥箱干燥 12 h,粉碎获得样品装入密封袋,保存在干燥器中待后续使用。制备废玻璃粉末与不同质量的蛭石(10 50wt%)混合,在密封制样机中分别研磨 2 min、4 min、6 min、8 min、10 min,并通过 200 目筛。该过程重复三次以确保粉末混合物的均匀化,样品分别标记为 BZ10、EZ20、EZ30、EZ40、EZ50。1.2 吸水率的测定将 1 g 干燥的试样放入烧杯中,分别加入 50 mL 的蒸馏水,在室温下静置 4 h 后,用 200 目标准筛网过滤试样,直至侵泡的试样无水滴落后对其称量。对每种样本进行 3 次测试,取平均值。根据下式测定吸水率。Qeq=(m1-m0)m0式中:Qeq 样品的吸水率m0 干燥样品的质量m1 侵泡样品的质量1.3 重复吸水性能测试将 1 g 干燥的试样浸入 50 mL 的蒸馏水中,室温下侵泡 4 h后用 200 目标准筛去除多余水分,称取侵泡试样的质量。然后,将侵泡试样在 80 下完全烘干,放入蒸馏水中,用相同的方式对吸水率进行测量,每次侵泡都要求达到饱和状态。这样反复进行多次,计算每一次的吸水率。2 结果讨论2.1 配料比对体积密度的影响图 1 玻璃/蛭石质量比对体积密度的影响Fig.1 Bulk density of the glass/vermiculit as a function ofthevermiculit content图 1 是玻璃/蛭石质量比对体积密度的影响,结果发现随着玻璃种添加蛭石质量的增加,体积密度逐渐降低,比表面积增加。由图可见玻璃与蛭石质量比为 6 4 时,即 BZ40 体积密度最小,有较大的比表面积,这就预示了其具有较高的吸附能力15。2.2 蛭石含量对吸水率的影响由图 2 可知,随着蛭石含量的增加,吸水率呈现上升的趋势。这是因为蛭石属于层状粘土材料,由 Si-O 四面体和 Al-O(OH)八面体两种基本单元构成,表面含有大量的亲水性羟基,且带有负离子其净电荷量的大小影响材料的渗透压,进而影响材料的吸水率16-17。当蛭石的量为50wt%时,吸水率没有出现明显的变化,根据实验结果,考虑到实际应用中经济方面的因素,蛭石的最佳添加量为 40wt%。图 2 蛭石的含量对吸水性能影响Fig.2 The effect of vermiculite content on waterabsorption performance2.3 研磨时间对吸水率的影响由图 3 可知,随着研磨时间的增加,吸水率呈现先增加后降低的趋势。当时间为 6 min 时吸水率为 0.8 g/g-1,研磨时间增加到 8 min 时吸水率呈现下降,这说明粉体颗粒都呈现相同规律,随着研磨时间延长,其粒径越小,颗粒比表面积越大,与水接触面积变大,吸水速率就越快18-19。当样品粒径大于200 目时,开始时吸水速率较快,但是吸水后颗粒之间迅速相互粘结形成团聚现象,影响吸水性能,同时还影响最终的吸水率,所以应避免这种团聚现象20。考虑到经济和吸附效率方面的限制,吸附实验中选择研磨时间为 6 min。图 3 不同时间对吸水率的影响Fig.3 Variation in water absorption with time2.4 不同材料吸水率的分析图 4 不同样品的吸水率和 BZ40 晶体结构示意图(插图)Fig.4 Water absorption of different samples and BZ40crystal structure diagram(inset)78 广 州 化 工2023 年 2 月如图3 所示,B、Z、BZ40 吸水率分别为0.23 g/g、0.35 g/g、0.80 g/g。吸水率随着蛭石含量增加显著增加。主要由于蛭石是一种层状硅酸盐矿物,其结构中主要含有铝、硅、铁和镁。插图为 BZ40 晶体结构示意图,可以看出玻璃微颗粒附着于蛭石层间,其微小玻璃颗粒进入蛭石晶体缝隙之间形成支撑骨架促使蛭石结构更加蓬松,有利于空隙连通。加之蛭石固有的孔隙率和受热过程中水释放赋予的孔隙率,使它在环境温度下吸收水分显著21-22。2.5 重复吸水性能测试图 4 为所制 BZ40 多次吸水脱水后的循环寿命变化趋势图。由图 4 可见,BZ40 在吸水脱水 20 次循环使用后吸水保持率为97.5%,上述结果表明,BZ40 具有良好的再生性能和重复回收利用性能,且在使用过程中没有明显的吸附损失,具有良好的重复吸水稳定性。图 5 ZB40 重复吸水次数的测定Fig.5 Water absorption cycle life of ZB403 结 论以废弃玻璃为原料,添加蛭石含量为 40wt%,研磨时间为6 min 时得到具有良好吸水性的多孔玻璃,测试其吸水性能结果表明其吸附率 0.8 g/g-1,经过 20 次重复吸水循环使用后吸水仍保持率为 97.5%,具有良好的重复吸水稳定性,这一结果为进一步制备多孔玻璃应用于吸附领域提供了参考依据。参考文献1 李奥阳.掺废玻璃粉的透水混凝土基本性能研究D.兰州:兰州理工大学,2022.2 王勇.环境规制视角下我国玻璃包装容器制造业竞争力提升研究D.曲阜:曲阜师范大学,2021.3 杨铭霄.废弃玻璃混凝土梁受弯性能及裂缝分形特性研究D.沈阳:沈阳建筑大学,2022.4 金珊珊,冯致皓.废弃玻璃在混凝土中的应用情况综述J.混凝土与水泥制品,2021(9):91-95.5 张宇.废弃玻璃粉风积沙混凝土柱抗震性能试验研究D.内蒙古;内蒙古工业大学,2022.6 狄磊刚.废玻璃的回收和再利用J.玻璃,2019,46(6):52-55.7 张宇.废弃玻璃粉风积沙混凝土柱抗震性能试验研究D.内蒙古;内蒙古工业大学,2022.8 Lawanwadeekul S,Srisuwan A,Phonphuak N,et al.Enhancement ofporosity and st