固體廢物處理與處置實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、固體廢物處理與處置實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 書作者：日期:固體廢物處理與處置實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書實(shí)驗(yàn)一植物殘?jiān)木C合利用（木質(zhì)陶瓷化）（4個(gè)學(xué)時(shí)）一實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊喳溄?、稻草、木屑、甘蔗渣等為原料，采用破碎、混合、浸漬、 熱壓成型、燒結(jié)等工藝制備出木質(zhì)陶瓷，制備出了各溫度點(diǎn)下的木質(zhì) 陶瓷，對(duì)其密度、氣孔率、強(qiáng)度、電阻率等性能進(jìn)行測(cè)試 ，對(duì)其性能特 征、形成機(jī)理及規(guī)律進(jìn)行分析研究。初步展示了原料配比、酚醛樹脂 濃度、溫度等參數(shù)對(duì)整個(gè)制備過程及木質(zhì)陶瓷性能的影響。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 證明了通過該工藝用麥秸或甘蔗渣等制備木質(zhì)陶瓷的可行性，同時(shí)也表明粘結(jié)劑和燒結(jié)溫度對(duì)木質(zhì)陶瓷性能影響很大，實(shí)驗(yàn)為麥秸、甘蔗渣等植物殘?jiān)睦瞄_辟了新的途徑。

2、為木質(zhì)陶瓷的研究開辟了新 的方向和空間。通過實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生掌握固體廢物處理與處置課程中的收集、 干燥、破碎、篩分、壓實(shí)、浸漬、熱處理等處理與處置工藝，熟悉基 本過程，制備出試驗(yàn)樣品，了解密度、氣孔率、強(qiáng)度、電阻率等性能 的測(cè)試原理與方法。二實(shí)驗(yàn)原理木質(zhì)陶瓷由日本青森工業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)的岡部敏弘和齋藤幸司于1990年開發(fā)，是一種采用木材（或其它木質(zhì)材料）在熱固性樹脂中浸漬后真 空碳化而成的新型多孔質(zhì)碳素材料，其中的木質(zhì)材料燒結(jié)后生成軟質(zhì)無定形碳，樹脂生成硬質(zhì)玻璃。木質(zhì)陶瓷最初用天然木材制造，但由于原木及制品存在軸向、徑 向、切向上的不均勻性和各向異性、燒結(jié)尺寸精度低等問題，后多采 用中質(zhì)纖維板（md f，

3、一般氣干比重0.7 g /cm3左右，含水8 %左右），這 樣，原料基本上只有板面與板厚方向的性質(zhì)區(qū)別。甲醛樹脂在木制 品中廣泛應(yīng)用，木質(zhì)陶瓷制備中常選用其中的酚醛樹脂，這多出于它 價(jià)格低廉、合成方便，而且游離甲醛較少，燃燒后只生成 co 2和 h2o,具有環(huán)境協(xié)調(diào)性。浸漬時(shí)常采用低壓超聲波技術(shù)以提高浸漬率 及其均勻性。碳化過程中伴隨有復(fù)雜的脫水、油蒸發(fā)、纖維素碳鏈切 斷、脫氫、交聯(lián)和（碳）晶型轉(zhuǎn)變等反應(yīng)變化機(jī)理及控制利用是值得 深入研究的。一般來說,木材在400c左右形成芳香族多環(huán)，而后緩慢 分解為軟質(zhì)無定形碳，樹脂5 0 0c以上分解為石墨多環(huán)而后形成硬質(zhì) 玻璃碳。玻璃碳以其硬質(zhì)貝殼狀斷口

4、而命名， 其基本結(jié)構(gòu)為層狀碳圍 繞納米級(jí)間隙混雜排列的三維微孔構(gòu)造，既有碳素材料的耐熱、耐腐蝕、高熱導(dǎo)率、導(dǎo)電性，也具有玻璃的高強(qiáng)度、高硬度、高楊氏模量、 均質(zhì)性和對(duì)氣體的阻透性。2 0 0 0 c以上試樣基本全部碳化。 激光加 工因有高精度的突出優(yōu)點(diǎn)而受到重視。其中脈沖式co2激光器對(duì)木質(zhì)陶瓷斷續(xù)加熱，熱應(yīng)力較小，能避免加工裂紋的出現(xiàn)，是有前景的木質(zhì)陶瓷加工工具。木質(zhì)陶瓷的殘?zhí)悸?、硬度、?qiáng)度、楊氏模量和斷裂韌性都隨含浸 率或燒結(jié)溫度的提高而增加?，F(xiàn)有木質(zhì)陶瓷的斷裂韌性很低，約在0.1 50.3mpa?m1/2的范圍，與冰相似，但其斷裂應(yīng)變隨浸漬率及 燒結(jié)溫度的降低而升高，為110%左右，遠(yuǎn)高

5、于冰、水泥、sic等脆性材料，甚至也高于鋁材。木質(zhì)陶瓷的摩擦系數(shù)幾乎不隨對(duì)磨材料的種類、粗糙度、潤(rùn)滑劑和滑動(dòng)速率的影響，一般穩(wěn)定在0. 10 . 1 5 之間，但隨荷重的增加而有所下降，認(rèn)為木質(zhì)陶瓷結(jié)構(gòu)多孔，潤(rùn)滑油難 以形成明顯油膜，只主要起冷卻作用，因此對(duì)各種耐熱材料在各種對(duì) 磨速率下都難以減低其摩擦系數(shù)，同時(shí)石墨的剪切強(qiáng)度不隨表面、內(nèi) 部而變化，因此對(duì)磨材料的粗糙度也不影響摩擦系數(shù)，但由于荷重 的增加將導(dǎo)致木質(zhì)陶瓷表面間隙的減少，從而多少體現(xiàn)出油膜的效果。其磨損率可控制在71 0 mm3/nm的量級(jí)，現(xiàn)已有木質(zhì)陶瓷在 制動(dòng)裝置和無心磨床上的應(yīng)用研究。 隨燒結(jié)溫度升高，碳化程度的進(jìn) 展，木質(zhì)

6、陶瓷從絕緣體過渡到導(dǎo)體，其導(dǎo)電率隨電頻增加而減少。較高 的導(dǎo)電性認(rèn)為來自cc結(jié)合的非極性 電子的自由電子狀態(tài)。根據(jù) 其電阻值隨環(huán)境溫度、濕度的上升而大致程線性下降的關(guān)系，可開發(fā)出新型溫敏、濕敏元件，如測(cè)溫、測(cè)濕計(jì)等等。在復(fù)電導(dǎo)率中，代表能量損失的虛部較代表極化大小的實(shí)部為大 ，因此木質(zhì)陶瓷可作電磁 屏蔽材料。同時(shí)由于木質(zhì)陶瓷具有多孔結(jié)構(gòu)，可散射、吸收電磁波而 減弱反射波。燒結(jié)溫度超過 700 c ,木質(zhì)陶瓷便具有逐漸增強(qiáng)的電磁 屏蔽性能，在1ghz內(nèi)，從10 05 00 mhz區(qū)間有最大電屏性能； 而頻率越高，磁屏性能越高，可達(dá)50db左右。800c燒結(jié)的木材陶瓷的 熱容數(shù)值大于金屬而與硅酸鹽

7、接近，并隨燒結(jié)溫度升高而降低。木質(zhì) 陶瓷的遠(yuǎn)紅外放射率和放射輝度與黑體相似，前者恒為80%,與波長(zhǎng)無關(guān)，遠(yuǎn)高與一般金屬，也與別的陶瓷材料有顯著區(qū)別。由于人體 多靠遠(yuǎn)紅外線獲取熱量，因此，木質(zhì)陶瓷極有發(fā)展成房暖材料的潛 力。木質(zhì)陶瓷的最大特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)在于環(huán)境協(xié)調(diào)性。料原料一一木材是 可循環(huán)利用的資源，是目前許多枯竭性資源的極具前景的代用品。 木 質(zhì)陶瓷的副產(chǎn)品為木醋酸，它是農(nóng)業(yè)土壤改良劑和防蟲防菌劑。木質(zhì) 陶瓷使用后仍可做吸附劑，廢棄時(shí)也可破碎做土壤改良劑，沒有環(huán)境負(fù)擔(dān)。同樣重要的是，它使碳得以大量固定（約172kg/m3）,有利于溫室效應(yīng)的抑制。雖然木質(zhì)陶瓷最初的應(yīng)用設(shè)想是基于其碳素導(dǎo)電 和多孔

8、結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽材料，但進(jìn)一步的研究表明，它有著（更）廣闊 的應(yīng)用前景：（1）輕量、比強(qiáng)度高，可作構(gòu)造用材；（2）硬質(zhì)、耐磨，可作 摩擦材料；（3）結(jié)構(gòu)多孔，可作各種濾過、吸收材料，以及其它材料 的基體;（4）耐熱、耐氧化、耐腐蝕，可應(yīng)用于高溫、腐蝕環(huán)境中； 導(dǎo)熱，有良好的遠(yuǎn)紅外發(fā)射功能，是大有前途的房暖材料；（6）經(jīng) 濟(jì)性好，能大批量生產(chǎn)。關(guān)于木質(zhì)陶瓷的發(fā)展趨勢(shì)，學(xué)界普遍以為最起碼還應(yīng)包括以下方 面：對(duì)麥秸等植物殘?jiān)M(jìn)行木質(zhì)陶瓷化研究，重點(diǎn)研究植物殘?jiān)举|(zhì)陶瓷化的工藝參數(shù)，為木質(zhì)陶瓷研究開辟新的空間和方向。進(jìn)一步弄 清木質(zhì)陶瓷的結(jié)構(gòu)，特別是微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，以便對(duì)木質(zhì)陶瓷的制備、改性等提供

9、理論支撐。在已經(jīng)取得的定性或半定量研究結(jié)果 的基礎(chǔ)上，繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)研究，以期做到定量的弄清楚木質(zhì)陶瓷的各 種物理、化學(xué)變化機(jī)理，以指導(dǎo)應(yīng)用開發(fā)究。 鑒于木質(zhì)陶瓷的強(qiáng)度不 高，研究提高木質(zhì)陶瓷殘?zhí)悸什⑦M(jìn)一步提高木質(zhì)陶瓷強(qiáng)度，開展各種木質(zhì)陶瓷復(fù)合材料研究，特別是環(huán)境協(xié)調(diào)性好的復(fù)合材料的研究，進(jìn) 一步開發(fā)出各種新型的生態(tài)環(huán)境材料。一方面，性能優(yōu)良的木質(zhì)陶瓷在生成過程中使用原木未能真正體現(xiàn)木材陶瓷的生態(tài)協(xié)調(diào)性內(nèi)涵，對(duì)原木的使用于環(huán)保也是不利的；另 一方面，大量堆積起來的麥秸正成為越來越難以處理的廢棄物。其實(shí)， 麥秸、稻草、木屑、甘蔗渣等秸稈的成分與原木相同，完全可以替代原木制備木材陶瓷，而且實(shí)現(xiàn)了麥秸

10、等植物殘?jiān)馁Y源化。二者有機(jī) 結(jié)合，用麥秸制備木質(zhì)陶瓷，避免了對(duì)原木的使用，實(shí)現(xiàn)了麥秸資源 化,制備出性能優(yōu)良的木質(zhì)陶瓷，一舉多得，真正實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境 效應(yīng)和社會(huì)效益的統(tǒng)一。為此,實(shí)驗(yàn)以麥秸等為原料，用浸漬、熱壓等全新工藝制備出坯體， 進(jìn)而燒結(jié)出木質(zhì)陶瓷，以避免對(duì)原木的使用，使木質(zhì)陶瓷這種環(huán)境材料更具生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)性內(nèi)涵；在木質(zhì)陶瓷的燒結(jié)過程中，擬采用改變升溫模式、添加阻燃劑等方法提高木質(zhì)陶瓷的殘?zhí)悸剩赃M(jìn)一步改善木質(zhì)陶瓷的抗彎強(qiáng)度等性能；同時(shí)，為了提高木制陶瓷的物理性能， 設(shè)計(jì)添加凹凸棒石粘土，實(shí)現(xiàn)碳-碳化物與氧化物的納米復(fù)合，尋求提高木質(zhì)陶瓷抗彎強(qiáng)度和碳化溫度的途徑， 為木質(zhì)陶瓷復(fù)合材料

11、生產(chǎn) 提供理論依據(jù)和新的實(shí)用途徑。三實(shí)驗(yàn)設(shè)備1、天平,燒杯、量筒、攪拌棒等系列。2、電熱鼓風(fēng)干燥箱。型號(hào)：hg 1 0 1 2;最高溫度：300度；控制溫度:正負(fù)1度；加熱功率36kw;工作室尺寸：45 0x5 5 0 x550mm 3。3、浸漬釜一臺(tái)。即浸漬罐，由鋼板制成的圓桶，一頭有開啟的灌蓋,罐容積有大有小4、微型植物粉碎機(jī)。型號(hào)：fz102,粉碎室內(nèi)徑：120mm,最大消耗功率：0. 32kw,轉(zhuǎn)速：1000 r /mi n。5、油壓千斤頂，附自行設(shè)計(jì)之加熱模具。可同時(shí)加熱加壓加熱6、管式電阻爐及其配套裝置。具體如下：(a)管式電阻爐：型號(hào)：sk-6 1 2 ;額定功率：6kw;額定溫

12、度：12 0 0 度；爐月惶尺寸:(dxl) 100x1000(m m3)。(b)熱電偶：wrp-120型鉗鏤一鉗熱電偶，分度號(hào)為lb3,測(cè)溫范圍為 0 1 3 00 度,l= 6 5 0mm。(c)可控硅溫度控制器：型號(hào)為 ks y-6 d16,控制功率6kw,輸入 電壓2 2 0v,單相，控溫范圍01 600度，控制精度3度。(d)工業(yè)氮?dú)馄恳约肮I(yè)氮?dú)獾囊惶紫礈旒案稍镅b置。7、高溫管式真空爐一臺(tái)。型號(hào):cvd(g)- 0 9 /4 0 /1，爐管尺寸：巾80x 12 00,最高溫度1600c極限真空度10pa8、數(shù)顯式液壓萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)一臺(tái)。型號(hào)為wes2 0,最大實(shí)驗(yàn)力20kn,精度為 0

13、. 00 1 kn。四實(shí)驗(yàn)步驟將甘蔗渣分成2組,配料及其單位分別為：甘蔗渣,g;酚醛樹脂,ml; 酒精,ml;固化劑，m l。第1組按甘蔗渣：酚醛樹脂：酒精：固化劑= 1 00 ： 50 ： 50 ： 25的比例混合均勻，自然晾干后熱壓成1o0mmx50mmx5mm的試樣。混合時(shí)加酒精的目的是為了稀釋樹脂，使得樹 脂與甘蔗渣充分浸潤(rùn)混合。將第 2組按甘蔗渣：酚醛樹脂：酒精：固 化劑=1 0 0 ： 70 ： 30 ： 2 0的比例混合均勻后壓制成試樣，并與第 1 組所得試樣的尺寸相同。將熱壓成型的2組試樣放入真空爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛中以5c /min 的速度分別升溫至 30 0c、40 0c、

14、500c 600 c、700c、 80 0 c ,并在每一溫度保溫4 h后隨爐冷卻。具體步驟如下：1、選料麥秸、稻草、木屑、甘蔗渣等植物殘?jiān)闹饕瘜W(xué)成分與木材相 同，見表1所列，完全可以代替原木制備木質(zhì)陶瓷，減少了對(duì)原木 的使用，實(shí)現(xiàn)了廢物資源化。甘蔗渣用植物粉碎機(jī)破碎。實(shí)驗(yàn)所用樹脂為熱固型酚醛樹脂表1甘蔗渣與部分木質(zhì)材料主要成分原料名稱多縮戊糖纖維素木質(zhì)系灰分甘蔗渣25. 6 029.1 048.20 55 .601 8 . 0020.002.004 . 00稻殼16 .0022.0 03 5 .5 0 45. 0021. 00 26.0 011. 4 022.00棉桿2 0. 7 641. 422 3. 169. 4 7毛竹21 . 124 5. 5030. 671 . 10白楊19. 5 05 9. 002 0. 6 00. 52樺木24. 9 053. 5022.501. 1 72、試樣制備和燒結(jié)2.1破碎麥秸、甘蔗渣等植物殘?jiān)?. 2破碎原料過篩2 .3配制粘結(jié)劑2 . 4原料混合3 . 5浸