基于地聚物结构理论的赤泥无机聚合材料的合成机理研究

Red mud, or bauxite residue is an alkali waste from alumina refining from bauxite. The inorganic geopolymer is synthesized with red mud through activation, dissolution, and re-polymerization, that is a feasible method to exhausting the residue. However, further research on the theory involved in the technology is required. The proposal is focused on the fundamental research on the activation of desilication products (DSP) in Bayer red mud and the synthetization of geopolymer with the activated product. The simulating research based on quantum chemistry theory with reliable lattice parameters will be carried out for learning the bond energy and the charge distribution in artificial DSP, as well as the influence of environmental factors on its stability. According to the simulation results, the transformation of DSP phases from crystalline state to amorphous state will be tested with XRD, FT-IR and NMR. The depolymerizing, dissolving and re-polymerizing of activated DSP will be surveyed. The phases, microstructure, transformation of aluminosilicate ligands and the structures of the geopolymer will be studied for understanding the mechanism of strength formation and sodium stabilization. The research will enrich the theory for the digestion of aluminosilicate in synthetizing geopolymer.

赤泥是从铝土矿中提取氧化铝后产生的碱性废渣。赤泥经活化、解聚溶出、二次聚合等处理，可以制备高性能无机聚合材料，这为赤泥综合利用难题的解决提供了新的技术思路。本项目将深入开展拜耳法赤泥硅渣活化并合成高性能聚合物的机理研究。项目依据硅渣晶格参数，通过量子化学计算，研究硅渣的键能特征和电荷分布特点，分析环境参量对晶格参数的影响规律，对硅渣的稳定性和活化给出理论解释；在理论指导下，借助XRD、FT-IR、NMR等手段研究硅渣活化产生无定形铝硅酸盐的过程；研究活化产物在一定条件下的解聚溶出并二次聚合的过程；从聚合物的物相特征、微观结构、硅铝配位转化及聚合物的结构类型等角度分析材料的强度形成机理和碱固化机理。项目成果将丰富地聚物制备中的铝硅酸盐溶出理论，并为赤泥无机聚合物的合成建立理论基础。

赤泥是从铝土矿中提取氧化铝后产生的碱性废渣。赤泥与地聚物材料的化学成分相似，但由于其结构的不同，未经活化的硅渣在地聚物中不具有强度贡献作用。赤泥经活化、解聚溶出、二次聚合等处理，可以制备高性能无机聚合材料，这为赤泥综合利用难题的解决提供了新的技术思路。但由于赤泥组成的复杂性，研究尚处于起步阶段，赤泥制备无机聚合材料中涉及的诸多理论问题尚不清楚。本项目依据硅渣晶格参数，通过量子化学计算，研究了硅渣的键能特征和电荷分布特点，分析了环境参量对晶格参数的影响规律，建立了硅渣的活化机制；研究了活化产物的解聚溶出并二次聚合的过程；分析了聚合物材料的强度形成机理和碱固化机理。研究结果表明：温度、压强对硅渣的稳定性影响较大，随温度、压强的提高，三种硅渣的Al-O键和Si-O键逐渐拉长，其中Al-O键更易受到压强的影响，在温度和压力的作用下更易断裂；钠、钙因素对硅渣的稳定性无影响，仅影响晶体的结构畸变。焙烧活化有利于硅渣的解聚溶出；Al-O键较不稳定，在焙烧过程中发生断裂，并在溶出过程中有少量溶出；Si-O键较稳定，几乎无解聚、溶出。水化石榴石经焙烧活化、二次聚合后，主要水化产物为具有一定强度的二水钙长石、硬硅钙石等矿物质，并形成了结构致密的球体，对高温拜耳法赤泥地聚物的强度形成有较大的贡献；方钠石、钙霞石的水化产物强度较低、密实度较差，对地聚物的强度形成几乎没有什么贡献。在赤泥地聚物的形成过程中，Na进入了地聚物的结构中与硅、铝结合并被固定下来。项目成果将丰富地聚物制备中的铝硅酸盐溶出理论，并为赤泥无机聚合物的合成建立理论基础。