1、工业废弃物复合土壤改良剂的开发实验河 北 工 业 大 学毕 业 论 文作 者： 学 号： 091998 学 院： 材料科学与工程学院 系(专业)： 无机非金属材料 题 目： 工业废弃物复合土壤改良剂的开发实验 指导者： 研究员 (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2013 年 6 月13 日毕业设计（论文）中文摘要工业废弃物复合土壤改良剂的开发实验摘要： 随着工业化的发展，矿山开采和冶炼生产中产生的工业废弃物的堆存量十分巨大。尾矿和炉渣占用大量的土地资源，危害生态平衡和环境安全。虽然国内外研究人员针对这些废弃物的资源化利用进行了许多探索，但到目前，仍没有完全解决
2、废弃物利用率较低，经济效益不高的问题。本研究以铁尾矿和高炉渣为原料，经过加工处理，探讨不同粉体的元素组成对自来水的物化参数的影响，通过测量种子的发芽率、芽长及增重等参数，分析尾矿和炉渣对植物生长状况的影响规律。通过黄豆种子的芽长、发芽率、增重的比较可看出浸泡炉渣和尾矿滤液的种子的生长状况要比浸泡校园土滤液的种子好，得出适量的炉渣和尾矿能促进植物的生长，尤其是炉渣的效果更明显。因此，尾矿和炉渣能够改善土壤结构，提高农作物产量和品质，可以作为复合土壤改良剂。关键词：尾矿 炉渣 复合肥 浸泡 种子毕业论文外文摘要Title The development of experimental indust
3、rial waste composite soil modifier AbstractWith the development of industrialization,the mining and smelting production of industrial waste is a huge stockpile.Tailings and slag takes up a lot of land resources, harming the ecological equilibrium and environmental safety.Although many domestic and f
4、oreign researchers explored the waste resource utilization,but up to now,the question of low waste utilization rate and high economic benefit is not solved completely. In this study,the iron tailings and blast furnace slag as the raw material, after processing, studying the influence of different po
5、wder composition for physicochemical parameters of water,through the germination rate, shoot length and weight measurement of seed analyze the influence of slag and tailings on the plant growth. Through the comparison of soybean seed germination rate, shoot length, weight gain can be seen the growth
6、 status of slag and tailings leachate soaking seeds than immersion campus soil filtrate seeds.So the slag and tailings can promote the growth of plants, especially the slag effect more obvious. Therefore, the tailings and slag can improve soil structure and increase crop yield and quality.so they ca
7、n be used as composite soil modifier. Keywords： tailings slag compound fertilizer soak seed1 绪论 41.1 国内外研究现状 41.3 课题研究的目标 71.4 课题研究的主要内容 82 实验方案及测试方法 82.1 主要原料 82.2 实验设备及测试仪器 82.3 实验步骤 92.4 测试方法及原理 103.3 粉体对种子发芽指标的影响 19参考文献 28致谢 301 绪论1.1 国内外研究现状矿产资源是人类赖以生存的重要生产资料之一，不可再生性和短期内不可替代性是其最主要的特点。它是促进我国工业发展
8、的最基础的原料，据统计2，目前我国十分之九以上的能源和约五分之四的工业原料都是来自于矿产资源，每年在国民经济运转方面投入的矿物原料总量在50亿t以上。目前我国已经发现的矿山种类大约有171个，并且可以分为能源矿产(如煤、石油、地热)、金属矿产(如铁、锰、铜)、非金属矿产(如金刚石、石灰岩、粘土)和水气矿产(如地下水、矿泉水、二氧化碳气)四大类，开发并建立的矿山大约有8000多座,尾矿总量累计可以达5917亿吨这些尾矿不仅占用了大量的土地资源和造成了非常严重的资源的浪费,而且也给人类的生活环境带来了严重污染和破坏,造成了环境的严重恶化。随着我国工业化的快速发展，矿产资源的需求量将日益增加，但矿产
9、资源在开发生产过程中造成的资源损失和浪费现象也越来越严重。所以，矿山可持续发展的必然趋势是有效、合理的利用矿产资源。由于尾矿的矿物组成复杂，成分含量变化大，性能差异大，粒径分布范围大，形态各异，分析的条件也比较特殊，尾矿利用的经济价值很低，没有引起关注。但由于尾矿的堆存不仅大量占用土地资源，还会产生粉尘或重金属离子，造成空气、水环境的污染，甚至危害生态环境，因此我国才开始对尾矿进行研究。我国尾矿研究技术起步比较晚，研究的现状有以下几个方面： 1.1.1 尾矿作为建筑材料目前，国内外有许多成功的将尾矿作为制造混凝土用的骨料、建造铁路和公路用的碎石以及建造房屋用砂、砖的例子。除此之外，尾矿也可以作
10、为烧结空心砌块和高档广场砖的原料，其优点是制作成本比较低廉，市场效益也很好。在国外，将铁尾矿作为原料SKDas等成功的研制出了建筑方面可用的地板砖和墙砖，与普通砖相比较，该砖所具有的优点是有更高的强度和硬度，而且制作成本比较低廉，因此该砖具有非常可观的发展前景。在我国，将尾矿作为建筑材料的研究开始于80年代。其中我国较早的一项尾矿作为建筑材料的研究的矿山是马钢姑山铁矿，该矿山每年排出的尾矿是强磁尾矿。由于该尾矿的结构致密坚硬，因此它可以作为制造混凝土的骨料。这些尾矿作为建筑材料的研究的特点是尾矿消耗量较大，并且技术含量比较低。 1.1.2 尾矿作为土壤改良剂和微量元素的肥料尾矿中含有很多微量元
11、素如Zn、Mn、Cu、Mo、V、B、Fe、P等，这些微量元素正是植物生长和发育的所需要的必需元素。在“七五” 期间，中钢集团马鞍山矿山研究院在国内率先进行的一项研究是将磁化铁尾矿作为土壤改良剂的研究。其研究过程主要是用特定设计的磁化机对磁铁尾矿进行磁化处理，随后将生产出的磁化尾矿施入土壤中进行研究。研究结果表明，将磁化尾矿施入土壤后，可以引起土壤中磁团粒结构的变化，并且导致土壤中的铁磁性物质活化，因此可以改善土壤的结构性、空隙度、透气性等，并且可以提高土壤的磁性。通过田间小区和大田的示范试验表明，在土壤中施入磁化尾矿后，农作物有十分显著的增产效果，例如早稻的平均增产量为12.63% ，中稻的平
12、均增产量为11.06 ，大豆的平均增产量为15.5% 等。在“八五” 期间，马鞍山矿山研究院再次进行的一项研究是将磁选厂铁尾矿按照一定的比例与农用化肥混合，经过磁化、制粒等工序，研制出了一种磁化复合肥，并且在当涂太仓生态村建造了一座磁化复合肥厂，其年产量为一万吨。1.1.3 利用尾矿进行复垦植被 在国外，虽然有许多的国家人口数量少土地占地广，但是他们对土地的复垦十分重视。这些国家如德国、加拿大、美国、俄罗斯、澳大利亚等国家他们矿山的土地复垦率达到了80 %。在我国，矿山的土地复垦工作开始于60年代，并且在80年代后期发展速度开始加快有着明显的进步。例如在1988年11月，国务院颁布的土地复垦规
13、定中规定了“谁破坏，谁复垦” 的原则。许多有关部门对这一规定的出台的十分的重视，并且有力地加快了对矿山土地复垦工作的进度。因此在尾矿库的复垦植被方面取得了很大的进展。1.1.4 尾矿整体综合利用 综合回收利用尾矿资源量大面广，难题比较多，情况比较复杂，并非轻而易举，可以通过开发技术含量高的产品，用来达到提高产品市场竞争力的目的。从90年代开始， 国内开始进行的研究有利用尾矿制取微晶玻璃、玻化砖、墙地砖等研究。1.1.5 尾矿利用存在的问题 首先，综合利用率低。目前，我国尾矿的综合利用率仅为7%5 ，其综合利用率的先进水平与国外相比差距很大。我国大部分矿产资源的综合回收率一般都在3050左右，但
14、是一些个体采矿回采率不到10，因此矿产资源浪费量很大。再次，废弃的矿山比较多，矿区生态恢复重建工作十分分散。我国矿山现有的国有矿山企业有8000多个，个体矿山企业有23万多个，并且随着工业化的快速发展，矿产资源的开发也快速上升，据统计1，矿区占用和破坏的土地面积有300多万公顷，其中，占用和破坏的林地面积有50多万公顷，并且导致了森林和林地急剧退化。这些都引起了生态环境的严重破坏，并且对人类的生存环境造成了严重的影响。最后，人们的资源节约意识、环境保护意识不强，粗放型经济增长方式是产生环境问题、尾矿资源利用率低的主要原因。还有一些制约尾矿利用和环境综合治理的主观因素：一是一些地方未能正确的树立
15、科学发展观，将发展等同于单纯的经济增长，有的则以资源高消耗、牺牲环境和破坏生态为代价来追求高的利益以致于造成了不可持续的发展；二是环境法制、矿业法制不全，处罚资源违法、环境违法行为的手段不严厉，仍然存在违法成本低、守法成本高的现象；三是环境保护、资源保护的机制不健全，管理体制不健全，执法力度不严；除此之外，尽管我国在尾矿利用与治理方面已经取得了很多的研究成果但是由于科学研究与实际生产方面之间的联系不够紧密，未能形成全面的结合。再加上矿山在科学技术方面投入的资金很少，因此在科研成果的转换和推广率方面不高，导致了有很大应用前景的研究成果在向现实生产力的转换过程中存在了很大的困难。1.2 课题研究的
16、目的和意义 随着工业化的快速发展，矿产资源与日俱增的需求，在选矿的过程中将会产生大量的尾矿。这些尾矿占用了大量农林用地，而且裸露于地面表层的尾矿非常容易形成扬沙天气，甚至形成尾矿沙尘暴。除此之外，尾矿中会残留下一些选矿药剂，这些选矿药剂会产生有害的气体和含酸性的水，会直接对大气和水土造成严重污染，造成生态环境的破坏。随着矿产资源的大量开发和利用，矿石总量的日益减少，尾矿作为二次资源再利用将会备受人类的关注。近年来我国开始对尾矿的再利用产生重视，但是由于我国共生、伴生的综合矿较多，自然禀赋差，尾矿的开发利用率很低，并且加上选矿设备陈旧落后、自动化管理水平差和有用的矿物回收利用率都普遍不高。目前，
17、我国尾矿的综合利用率大约为7%。因此，从我国矿产资源的实际出发，大力发展尾矿资源的综合利用，对于保护和改善生态环境、提高资源利用效率具有十分重要的意义。怎样将这些数量巨大的尾矿进行开发利用处理，实现“无尾、无废、无污染”的现代化生产，推进矿山环境的综合治理是落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的客观要求，也是我国及世界各国共同关心的重要课题。我省工业生产中产生的尾矿以及冶炼炉渣的堆存量不仅有数十亿吨，而且还在以每年排放出2亿吨以上的速度在持续增加。这些尾矿和炉渣不仅占用了大量的土地资源，而且还在时刻危害着人类的生态环境的安全。因此，本研究以铁矿石的选矿尾矿和中钢高炉冶炼炉渣为原料，经过加工处理
18、，探讨不同粉体本身的化学组成及性能，粉体对自来水的物化指标的影响，通过种子的发芽率、芽长及增重等参数，来分析尾矿和炉渣对植物生长、发育状况的影响规律。从而制备出能够改善土壤结构，提高农作物产量和品质的复合土壤改良剂，以达到固体废弃物的资源化利用，来满足人们对资源环境可持续发展的需求，并保护人类赖以生存的环境。1.3 课题研究的目标本实验以尾矿和高炉冶炼炉渣以及校园土为原料，经过加工处理，增加对作物有用组分的释放量，探讨不同粉体本身的化学组成及性能，粉体对自来水的物化指标的影响，通过观察和记录绿豆和黄豆的发芽率、芽长及增重等参数，研究出尾矿、炉渣以及校园土对植物生长状况的影响，从而制备出能够改善
19、土壤结构，提高农作物产量和品质的复合土壤改良剂。1.4 课题研究的主要内容本研究以铁矿石的选矿尾矿和中钢高炉冶炼炉渣为原料，经过加工处理，增加对作物有用组分的释放量，探讨不同粉体本身的化学组成及性能，粉体对自来水的物化指标的影响，通过种子的发芽率、芽长及增重等参数，来分析尾矿和炉渣对植物生长、发育状况的影响规律。从而制备出能够改善土壤结构，提高农作物产量和品质的复合土壤改良剂，以达到固体废弃物的资源化利用，来满足人们对资源环境可持续发展的需求，并保护人类赖以生存的环境。2 实验方案及测试方法2.1 主要原料本次试验所用的原料主要有本校园花坛里的校园土、来自承德市的铁尾矿和天津市滨海新区的中钢炉
20、渣。其铁尾矿的主要化学成分为SiO2、Fe2O3 及Al2O3，约占总重的70%，其它试剂均为普通国产分析纯试剂。2.2 实验设备及测试仪器实验所用的试验设备和测试仪器，如表2-3所示。表2-3 实验设备和测试仪器名称类型生产厂家微粒球磨机 WL-IA 天津市军晟电气设备有限公司数字电导率仪 DDS-11AT上海雷磁新泾仪器有限公司数字pH计 PHB-4河北工业大学电子天平 TD2001天津市天平仪器有限公司循环水式真空泵SHZ-D()巩义市子华仪器有限责任公司全自动表面张力仪OCA-30德国恒温恒湿培养箱RH-150-S广东省医疗器械厂紫外可见分光光度计SP-2100UV上海光谱仪器有限公司
21、氧化还原电位仪RHS-LA河北工业大学电热恒温干燥箱201天津市通达实验电炉厂2.3 实验步骤（1）对工业废弃物进行加工处理：以尾矿、高炉冶炼炉渣和校园土为原料，使原料与球按照一定的比例混合，通过研磨机进行研磨，然后进行筛分、混匀等工序得到所需的粉体。其中，尾矿可以分为尾矿1号、尾矿2号和尾矿3号。（2）测试粉体对自来水的物化指标的影响：在粉体与水的重量比为100g: 500mL的条件下，并且以去离子水作为空白对照试验，分别对不同编号的粉体在浸泡时间为0h、1h、3h、5h、7h、9h、10h、22h等不同浸泡时间里用全自动表面张力仪、数字电导率仪、数字pH计和氧化还原电位仪来测试其浸泡液的表
22、面张力、电导率、pH值和氧化还原电位的变化规律，从而可以得出粉体的最佳浸泡时间。（3）对固体废弃物进行加工处理后得到的粉体的化学组成进行研究：先配备所需的标准溶液，然后逐级稀释配置成不同浓度的标准测试夜。取不同浓度标准液通过可见分光光度计测试其吸光度，画出校准曲线。将粉体与水按照为100g: 500mL的重量比混合，浸泡6小时后过滤，向标准液中加入滤液测试粉体的所含元素的吸光度并作空白校正，从而测得粉体所含元素的量。其中，样品号1、2、3、4、5、6分别自由水和校园土、炉渣、尾矿1号、尾矿2号以及尾矿3号的滤液。（4）种子发芽率增重实验：以黄豆、绿豆等种子作为实验对象，将黄豆和绿豆各50颗分别
23、放入6个不同编号的600mL的烧杯中，并在各个烧杯中分别放入300ml的自由水、300ml浸泡时间为6小时的校园土、高炉渣、尾矿1号、尾矿2号和尾矿3号的滤液，并将它们放到恒温恒湿培养箱中，每隔一段时间观察它们的种子的发芽个数、称量种子的重量和量取牙的长度，从而对比研究不同粉体对种子发芽率、增重量，生长速度等因素的影响。2.4 测试方法及测试原理2.4.1 粉体中溶出铁的测定水质-铁的测定可以用邻菲啰啉分光光度法，其原理是亚铁离子在pH39之间的溶液中与邻菲啰啉发生反应生成稳定的橙红色络合物，其测试波长为510nm。2.4.2 粉体中溶出硼的测定水质-硼的测定可以用甲亚胺-H酸光度法，其原理是
24、在pH5.2的盐酸和乙酸铵缓冲溶液中，硼与甲亚胺-H酸发生反应生成可溶于水的甲亚胺-H硼酸棕黄色化合物，其最大吸收波长在410420nm处。2.4.3 粉体中溶出磷的测定水质-磷的测定可以用钼酸铵分光光度法，其原理是在酸性条件下，试样中的正磷酸盐在酒石酸锑钾的催化下，与钼酸铵反应生成的磷钼酸化合物可以被抗坏血酸还原生成蓝色络合物，其测试波长为880nm。3 实验结果及分析3.1 粉体对自来水物化指标的影响在粉体与水的重量比100g: 500mL的条件下，通过全自动表面张力仪、数字电导率仪、数字pH计和氧化还原电位仪来测试其浸泡液的表面张力、电导率、pH值和氧化还原电位的变化规律。3.1.1 不
25、同粉体浸泡液的表面张力变化利用全自动表面张力仪测试不同粉体浸泡液的表面张力，其结果见表3-1。表3-1不同粉体的浸泡液的表面张力(mN/m) 浸泡时间(h)校园土中钢炉渣尾矿1号尾矿2号尾矿3号073.33573.33573.33573.33573.335169.61168.48363.00966.45964.733359.02162.61560.53863.12162.542553.24857.64356.17260.49161.610758.53357.87261.13456.03959.611961.56365.35163.18362.36562.3511058.43966.62862.
26、63263.60460.0952260.93463.32864.25566.77862.354 图3-1不同粉体浸泡液的表面张力从图3-1中可以看出这五种粉体浸泡液的表面张力随着浸泡时间增长的变化规律是先变小后变大，并且都大约在59小时范围内有一个最小值。3.1.2 不同粉体浸泡液的电导率变化利用数字电导率仪测试不同粉体浸泡液的电导率，其结果见表3-2。表3-2不同粉体浸泡液的电导率(mS/m ) 浸泡时间(h)校园土中钢炉渣尾矿1号尾矿2号尾矿3号00.4370.4370.4370.4370.43710.5951.6280.8670.6370.57830.6611.4270.9350.663
27、0.59450.5941.3250.9340.650.58470.5561.3481.0840.6270.58690.5551.3221.1150.6270.602100.5491.3070.9250.610.596220.5451.2990.9140.5920.587图图3-2不同粉体浸泡液的电导率从图3-2中可以看出可以这五种粉体浸泡液的电导率随着浸泡时间增长的变化曲线是先上升后降低，最后趋向于一条平行于横轴的直线，并且它们大约在16小时范围内有一个最大值。其中炉渣浸泡液的电导率变化最大。3.1.3 不同粉体浸泡液的pH值变化利用数字pH计测试不同粉体浸泡液的pH值，其结果见表3-3。表3
28、-3不同粉体浸泡液的pH值 浸泡时间(h)校园土中钢炉渣尾矿1号尾矿2号尾矿3号08.418.418.418.418.4118.7510.938.819.629.1338.7910.728.819.759.1758.7510.778.729.679.1778.8110.688.749.659.2498.7510.898.759.659.18108.7410.828.739.689.21228.7911.488.989.959.35图3-3不同粉体浸泡液的电导率pH值从图3-3中可以看出可以这五种粉体浸泡液的电导率随着浸泡时间增长的变化曲线是先上升后趋向于一条平行于横轴的直线，并且它们大约在15
29、小时范围内有一个最大值。其中炉渣浸泡液的pH值变化最大。3.1.4 不同粉体浸泡液的氧化还原电位变化利用氧化还原电位仪测试不同粉体浸泡液的氧化还原电位，其结果见表3-4。表3-4不同粉体浸泡液的氧化还原电位(mV) 浸泡时间(h)校园土中钢炉渣尾矿1号尾矿2号尾矿3号03903903903903901196-2496861003150-53858494598-80748094769-109675697968-1396851801051-1269888982290-18010490101图3-4不同粉体浸泡液的氧化还原电位从图3-4中可以看出可以这五种粉体浸泡液的电导率随着浸泡时间增长的变化曲线
30、是先降低后趋向于一恒值，其中炉渣浸泡液的氧化还原电位变化最大。总之，通过以上分析，这五种粉体浸泡液的表面张力、电导率、ph值和氧化还原电位的变化规律与浸泡时间有关。其中电导率与溶液中所含的离子浓度有关，从以上变化规律可以得出各种粉体的最佳浸泡时间大约为6小时。3.2粉体中可溶性元素的测试3.2.1 水质-铁的测定根据2.3实验步骤中的（3），铁标准使用液的测试结果如表3-5所示。表3-5 水质-铁的测定-邻菲啰啉分光光度法Fe标液/ug02.551020304050吸光度 00.0420.0980.1390.2720.5150.6290.829图3-5 水质-铁的测定-邻菲啰啉分光光度法取不同粉体滤液的水样10ml于比50ml色管并加入所需试剂并稀释到标线，显色15分钟后，以水为参比，测得结果如表3-6所示。 表3-6不同粉体滤液中铁的含量
