固体废物处理与处置实验指导书.docx

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固体废物处理与处置实验指导书

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《固体废物处理与处置》实验指导书

实验一植物残渣的综合利用（木质陶瓷化）（4个学时）

一实验目的

以麦秸、稻草、木屑、甘蔗渣等为原料,采用破碎、混合、浸渍、热压成型、烧结等工艺制备出木质陶瓷，制备出了各温度点下的木质陶瓷，对其密度、气孔率、强度、电阻率等性能进行测试，对其性能特征、形成机理及规律进行分析研究。

初步展示了原料配比、酚醛树脂浓度、温度等参数对整个制备过程及木质陶瓷性能的影响。

实验结果证明了通过该工艺用麦秸或甘蔗渣等制备木质陶瓷的可行性,同时也表明粘结剂和烧结温度对木质陶瓷性能影响很大，实验为麦秸、甘蔗渣等植物残渣的利用开辟了新的途径。

为木质陶瓷的研究开辟了新的方向和空间。

通过实验，让学生掌握《固体废物处理与处置》课程中的收集、干燥、破碎、筛分、压实、浸渍、热处理等处理与处置工艺，熟悉基本过程，制备出试验样品，了解密度、气孔率、强度、电阻率等性能的测试原理与方法。

二实验原理

木质陶瓷由日本青森工业试验场的冈部敏弘和斋藤幸司于1990年开发，是一种采用木材（或其它木质材料）在热固性树脂中浸渍后真空碳化而成的新型多孔质碳素材料，其中的木质材料烧结后生成软质

可循环利用的资源，是目前许多枯竭性资源的极具前景的代用品。

木质陶瓷的副产品为木醋酸，它是农业土壤改良剂和防虫防菌剂。

木质陶瓷使用后仍可做吸附剂，废弃时也可破碎做土壤改良剂，没有环境负担。

同样重要的是，它使碳得以大量固定（约172kg/m3），有利于温室效应的抑制。

虽然木质陶瓷最初的应用设想是基于其碳素导电和多孔结构的电磁屏蔽材料，但进一步的研究表明，它有着（更）广阔的应用前景：

（1）轻量、比强度高，可作构造用材；

（2）硬质、耐磨，可作摩擦材料；（3）结构多孔，可作各种滤过、吸收材料，以及其它材料的基体；（4）耐热、耐氧化、耐腐蚀，可应用于高温、腐蚀环境中；（5）导热，有良好的远红外发射功能，是大有前途的房暖材料；（6）经济性好，能大批量生产。

关于木质陶瓷的发展趋势，学界普遍以为最起码还应包括以下方面：

对麦秸等植物残渣进行木质陶瓷化研究，重点研究植物残渣木质陶瓷化的工艺参数，为木质陶瓷研究开辟新的空间和方向。

进一步弄清木质陶瓷的结构，特别是微观结构与性能的关系，以便对木质陶瓷的制备、改性等提供理论支撑。

在已经取得的定性或半定量研究结果的基础上，继续进行相关研究，以期做到定量的弄清楚木质陶瓷的各种物理、化学变化机理，以指导应用开发究。

鉴于木质陶瓷的强度不高，研究提高木质陶瓷残碳率并进一步提高木质陶瓷强度，开展各种木质陶瓷复合材料研究，特别是环境协调性好的复合材料的研究，进一步开发出各种新型的生态环境材料。

一方面，性能优良的木质陶瓷在生成过程中使用原木未能真正体现木材陶瓷的生态协调性内涵，对原木的使用于环保也是不利的；另一方面，大量堆积起来的麦秸正成为越来越难以处理的废弃物。

其实，麦秸、稻草、木屑、甘蔗渣等秸秆的成分与原木相同，完全可以替代原木制备木材陶瓷，而且实现了麦秸等植物残渣的资源化。

二者有机结合，用麦秸制备木质陶瓷，避免了对原木的使用，实现了麦秸资源化，制备出性能优良的木质陶瓷，一举多得，真正实现经济效益、环境效应和社会效益的统一。

为此，实验以麦秸等为原料，用浸渍、热压等全新工艺制备出坯体，进而烧结出木质陶瓷，以避免对原木的使用，使木质陶瓷这种环境材料更具生态环境协调性内涵；在木质陶瓷的烧结过程中，拟采用改变升温模式、添加阻燃剂等方法提高木质陶瓷的残碳率，以进一步改善木质陶瓷的抗弯强度等性能；同时，为了提高木制陶瓷的物理性能，设计添加凹凸棒石粘土，实现碳-碳化物与氧化物的纳米复合，寻求提高木质陶瓷抗弯强度和碳化温度的途径，为木质陶瓷复合材料生产提供理论依据和新的实用途径。

三实验设备

1、天平，烧杯、量筒、搅拌棒等系列。

2、电热鼓风干燥箱。

型号：

HG101-2；最高温度：

300度；控制温度：

正负1度；加热功率：

3.6KW；工作室尺寸:

450x550x550mm3。

3、浸渍釜一台。

即浸渍罐，由钢板制成的圆桶，一头有开启的灌盖，罐容积有大有小。

4、微型植物粉碎机。

型号：

FZ102，粉碎室内径：

120mm，最

大消耗功率：

0.32kw，转速：

1000r/min。

5、油压千斤顶，附自行设计之加热模具。

可同时加热加压加热。

6、管式电阻炉及其配套装置。

具体如下：

（A）管式电阻炉：

型号：

SK-6-12；额定功率：

6KW；额定温度：

1200度；炉膛尺寸：

（dxL）100x1000（mm3）。

（B）热电偶：

WRP-120型铂铑—铂热电偶，分度号为LB—3，测温范围为0~1300度，L=650mm。

（C）可控硅温度控制器：

型号为KSY-6D-16，控制功率6KW，输入电压220V，单相，控温范围0~1600度，控制精度<3度。

（D）工业氮气瓶以及工业氮气的一套洗涤及干燥装置。

7、高温管式真空炉一台。

型号：

CVD（G）-09/40/1，炉管尺寸：

ф80×1200，最高温度1600℃，极限真空度10Pa。

8、数显式液压万能实验机一台。

型号为WES-20，最大实验力20KN，精度为0.001KN。

四实验步骤

将甘蔗渣分成2组，配料及其单位分别为:

甘蔗渣，g；酚醛树脂，mL；酒精，mL；固化剂，mL。

第1组按甘蔗渣∶酚醛树脂∶酒精∶固化剂=100∶50∶50∶25的比例混合均匀，自然晾干后热压成100mm×50mm×5mm的试样。

混合时加酒精的目的是为了稀释树脂，使得树脂与甘蔗渣充分浸润混合。

将第2组按甘蔗渣∶酚醛树脂∶酒精∶固化剂=100∶70∶30∶20的比例混合均匀后压制成试样，并与第1组所得试样的尺寸相同。

将热压成型的2组试样放入真空炉中，在氮气保护气氛中以5℃/min的速度分别升温至300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃，并在每一温度保温4h后随炉冷却。

具体步骤如下：

1、选料

麦秸、稻草、木屑、甘蔗渣等植物残渣的主要化学成分与木材相同,见表1所列,完全可以代替原木制备木质陶瓷,减少了对原木的使用,实现了废物资源化。

甘蔗渣用植物粉碎机破碎。

实验所用树脂为热固型酚醛树脂。

表1　甘蔗渣与部分木质材料主要成分

原料名称

多缩戊糖

纤维素

木质素

灰分

甘蔗渣

25.60～29.10

48.20～55.60

18.00～20.00

2.00～4.00

稻　壳

16.00～22.00

35.50～45.00

21.00～26.00

11.40～22.00

棉　杆

20.76

41.42

23.16

9.47

毛　竹

21.12

45.50

30.67

1.10

白　杨

19.50

59.00

20.60

0.52

桦　木

24.90

53.50

22.50

1.17

2、试样制备和烧结

2.1破碎麦秸、甘蔗渣等植物残渣

2.2破碎原料过筛

2.3配制粘结剂

2.4原料混合

2.5浸渍

2.6干燥原料

2.7模具的设计

2.8坯体预压

2.9预处理模具

2.10装模

2.11合模及排气

2.12坯体压制

2.13脱模

2.14坯体的检测

2.15坯体的烧结

将坯体置于管式电阻炉内，在氮气的保护氛围下，按设定的烧结规程进行烧结。

示意图如图1所示。

图1：

木质陶瓷烧结工艺流程平面示意图

2.16木质陶瓷式样的检测

3、测定木质陶瓷的残碳率、电阻率、抗弯强度、密度和显气孔率等参数。

4、计算、分析数据并绘制相关曲线图。