离子精准注入型改性地质聚合物及其高效制备方法技术

本发明专利技术提供一种离子精准注入型改性地质聚合物及其高效制备方法，离子精准注入型改性地质聚合物包括：一定尺寸的地质聚合物源头材料，通过离子注入机注入的指定剂量Si离子、Al离子。所述地质聚合物源头材料由固废料、碱激发剂和水混合组成；其中，固废料可以是煅烧煤矸石粉、活化底泥粉、钢渣粉、矿渣粉、粉煤灰、锅炉渣等富含活性硅铝元素的工业废弃物。此外，基于上述离子精准注入型的改性地质聚合物，本发明专利技术还提供了多源地质聚合物的高效制备方法。本申请提供的技术方案具有应用范围广、综合效益优异、制备效率和可靠性高的优点。益优异、制备效率和可靠性高的优点。益优异、制备效率和可靠性高的优点。

【技术实现步骤摘要】
离子精准注入型改性地质聚合物及其高效制备方法


[0001]本专利技术涉及固废利用及材料工程领域，具体涉及一种离子精准注入型改性地质聚合物及其高效制备方法。

技术介绍

[0002]煤矸石、矿渣、河湖底泥等工业废弃物正面临难以处置的难题，并且存在堆放安全隐患、对附近土壤和地下水造成污染，严重危害自然生态环境等重大问题。因此，如何有效的处理煤矸石等工业废弃物亟待解决。
[0003]地质聚合物是以活性硅铝质原材料和碱性激发剂为主要原材料，采用适当工艺通过溶解
‑
单体重构
‑
缩聚反应等得到的新型绿色无机硅铝胶凝材料。地质聚合物的原材料可以广泛利用富硅铝元素的工业废弃物(煅烧煤矸石粉、活化底泥粉、钢渣粉、矿渣粉、粉煤灰、锅炉渣等)。得到的地质聚合物性质与水泥材料类似，但是相比水泥具有耐久性好、能耗低等一系列优点，是取代水泥等传统注浆材料的理想物质。
[0004]但是由于现有的以工业废弃物为主的原材料中活性硅铝成份含量很不固定，不同原材料间的矿物成分和元素组成具有明显差异，同种原材料间由于产地或来源的不同，也会存在上述差异。这导致不同原材料获得的地质聚合物材料的力学性质难以精确控制，多源固废原材料的配合比设计较为盲目，目前国内在制备不同原材料前体的地质聚合物时，大多是采用正交实验法进行试配。这种方法盲目性明显，可重复性低，结论不具备普适性，显著的影响了地质聚合物的推广和应用。本专利权人基于此现状进行了一系列研究，提出了一种新技术，可用以指导多源地质聚合物的高效制备。该方法可靠性高、综合效益优异，有助于推进该类新材料在工程领域推广应用，对实现能源、环保和建设工程三大领域的有机结合具有重要意义。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种离子精准注入型改性地质聚合物胶凝材料，还提供了多源地质聚合物的高效制备方法。
[0006]本专利技术提供的一种离子精准注入型改性地质聚合物胶凝材料，由一定尺寸的地质聚合物源头材料、通过离子注入机注入的指定剂量Si离子、Al离子组成。
[0007]进一步地，源头材料由固废料、碱激发剂和水混合组成。
[0008]进一步地，固废料包括高钙固废原材料(如钢渣粉、矿渣粉、锅炉渣等)和低钙固废原材料(如煅烧煤矸石粉、活化底泥粉、粉煤灰等)以及其他富含活性硅铝元素工业废弃物中的一种或任意组合；
[0009]进一步地，碱激发剂是由氢氧化钠和硅酸钠按照一定的比例混合组成，模数为1.2～1.8。
[0010]进一步地，碱激发剂与水的质量比为0.08～0.12：1；水与固废料的质量比为0.25～0.65：1；离子注入机注入的Si离子、Al离子注入剂量为1
×
10
16
～2
×
10
17
ions/cm2。
[0011]进一步地，粒子注入机的加速电压为40～80keV。
[0012]本专利技术还提供了多源地质聚合物的高效制备方法，包括以下步骤：
[0013]S1，按照一定的配合比将碱激发剂加入到固废料中，然后加入水，充分搅拌混合，即得到地质聚合物源头材料，将源头材料进行预处理得到一定尺寸大小的基体；
[0014]S2，将该基体放入到离子注入机的真空室样品台中，在一定的加速电压下，向基体注入指定剂量的Si离子、Al离子；
[0015]S3，通过纳米压痕试验得到离子注入前后基体表面凝胶相的平均硬度；
[0016]S4，通过ICP
‑
OES试验得到地质聚合物原材料的Si、Al浸出浓度。
[0017]上述地质聚合物胶凝材料通过掺入少量碱激发剂加速富硅铝固废料内的聚合反应，能够充分活化，生成的聚合产物相互填充，孔隙率降低，强度提高。
[0018]地质聚合物在碱激发剂的作用下，发生硅氧键、铝氧键的断裂和再重组过程，最终生产稳定的三维聚合铝酸盐结构。反应式为：
[0019][0020][0021]上述离子精准注入型改性地质聚合物是使用高能离子注入机向地质聚合物源头材料中掺杂指定浓度的Si离子、Al离子，从而实现材料表面改性的目的。通过注入1
×
10
16
～2
×
10
17
ions/cm2的Si离子、Al离子，定量的调整了地质聚合物源头材料中硅铝元素的组成，相比注入前，Si、Al离子浓度可增加1.6％～32％，最终直接改变地质聚合物胶凝材料的力学特性。
[0022]上述纳米压痕试验通过测试离子注入处理前后的基体表面硬度、弹性模量(指材料在受力状态下应力与应变之比)，可以直观的得到离子浓度调整对地质聚合物力学特性的影响。相比注入前，基体纳米压痕硬度指标会发生相应的变化。
[0023]上述ICP
‑
OES试验是通过检测获取富硅铝固废物中的Si、Al离子浸出浓度，作为该固废物的活性硅铝元素含量；进一步地，可以根据步骤三的结果，掺加其它矿物或化学添加剂调整富硅铝固废物中的活性硅铝元素含量。
[0024]实施本专利技术的实施例，带来的有益效果是：本申请的技术方案在于创新性地引入离子注入技术开展地质聚合物精准介入技术和方法研究，改变了以往地质聚合物制备过程中盲目试配方法，有助于大大提高理想地质聚合物的制备效率，降低制备成本。同时，该方法使用的源头材料主要是底泥、钢渣、粉煤灰等相关产业废弃物，制备得到的地质聚合物可用于市政、岩土工程建设、注浆加固领域等多种应用场景，能够很大程度上提高多源地质聚合物的消容量，促进相关产业的持续发展，对实现能源、环保和建设工程三大领域的有机结合具有重要意义。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]图1是本专利技术所述地质聚合物的微观结构示意图；
[0027]图2是本专利技术所述离子注入机的结构示意图；
[0028]图3是本专利技术所述离子精准注入地质聚合物过程的示意图；
[0029]图4是本专利技术所述纳米压痕测试的示意图；
[0030]图5是本专利技术所述ICP
‑
OES测试的流程图；
[0031]图6是运用本专利技术所述方法获得的纳米压痕硬度指标与地质聚合物中硅铝原子比之间的关系示意图。
[0032]图7是本专利技术所述地质聚合物的高效制备方法的流程示意图。
具体实施方式
[0033]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0034]本专利技术的说明书和权本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种离子精准注入型改性地质聚合物，其特征在于，所述地质聚合物包括：设定尺寸的地质聚合物源头材料以及通过离子注入机注入所述设定尺寸的地质聚合物源头材料的指定剂量Si离子、Al离子。2.根据权利要求1所述的离子精准注入型改性地质聚合物，其特征在于，所述设定尺寸的地质聚合物源头材料包括：固废料、碱激发剂和水混合；其中，固废料包括高钙固废原材料(如钢渣粉、矿渣粉、锅炉渣等)和低钙固废原材料(如煅烧煤矸石粉、活化底泥粉、粉煤灰等)以及其他富含活性硅铝元素工业废弃物中的一种或任意组合。3.根据权利要求1所述的离子精准注入型改性地质聚合物，其特征在于，所述指定剂量为1
×
10
16
～2
×
10
17
ions/cm2。4.根据权利要求2所述的离子精准注入型改性地质聚合物，其特征在于，所述碱激发剂包括：氢氧化钠和硅酸钠。5.一种如权利要求1
‑
4任意一项所述的地质聚合物的高效制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤一、按照一定的配合比将碱激发剂加入到固废料中，然后加入水，充分搅拌混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢海峰，张凯，贺栋，孔晓璇，肖湘衡，徐航，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：