摘 要

针对离子着色法制备黑色玻璃的研究现状和铁尾矿潜在价值的应用问题，本文在系统研究黑玻璃和铁尾矿的组成特点的基础上，论证了利用铁尾矿制备高铁含量黑色玻璃的可行性，并最终制得了在200nm—2500nm波段吸光率超过93%且平均抗弯强度高达120MPa的黑色玻璃。

首先，对制备高铁含量黑色玻璃的配方进行设计，从离子吸光特性、玻璃烧成和应用着手，确定了高铁尾矿掺量和纯碱、镁粉等原料的掺入，后者还有降低烧成熔点与热膨胀系数的作用，并确定了退火温度范围600℃—700℃。

其次，研究了Co、Cr、Cu、Mn、Ni离子的复合掺杂对黑色玻璃透光率、结晶度与分相可能性的影响，并探究其对黑色玻璃的硬度与抗弯强度的影响。研究表明：在高铁含量黑色玻璃基础上，加入其他过渡金属离子在可见光区域降低透光度，但同时会不同程度导致玻璃内部出现结晶与分相；掺杂元素对玻璃硬度影响较小，但对玻璃抗弯强度具有明显影响。

最终，通过以上优化研究，确定了基于铁尾矿特性和现有实验条件的黑色玻璃的最佳烧制度，制得了具高吸光率、低热膨胀系数、高抗弯强度与硬度的高铁含量黑色玻璃。

关键词：黑色玻璃；铁尾矿；离子着色；高铁含量

Abstract

Aim at the current research of preparing black glass via the methord of Ion Coloring and the issues of using iron tailing with high potential value, we proofed the feasibility of preparing black glasses of high iron content with iron tailing based on the systematic study on the features of the composition of black glass and iron tailing, then finally obtain ideal black glass which have an absorbance reach up to 93% of light waves ranged from 200nm to 2500nm, and the average bending strength is up to 120MPa.

First, we focused on study of the recipe of preparing black glass with iron tailing considering the characteristics of ion absorption, glass firing and applications, determined the high mixing amount of iron tailing and the dosage of soda ash, magnesium powder and so on, which also helped in lower melting point and thermal expansion coefficient. And we also find out the reasonable annealing temperature ranged from 600℃ to 700℃.

Secondly, we explored how ions like Co, Cr, Cu, Mn, Ni which work as colorant affected things like light transmittance, crystallinity, phase split of black glass, and its hardness and bending strength. Research shows: on the basis of high iron content black glass, other transition metal ions can reduce the light transmittance in the visible waves, but can lead to a different level of phase splitting and crystallization at the same time. This ions can also have a obvious effect on bending strength of black glass, in the mean time, it can hardly effect the hardness of black glass.

Finally, through the work we mentioned above, the best burning system is determined on the basis of characteristics of iron tailing and the existing experimental conditions, and black glass of high iron content which has high absorbance, low thermal expansion coefficient, high bending strength and hardness was reduced.

Key words：Black glass; iron tailing; Ion Coloring; High iron content

目录

摘要 III

Abstract IV

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1 尾矿资源利用现状 1

1.1.2 太阳能资源利用现状 4

1.2 黑色玻璃概况 6

1.2.1 黑色玻璃的研究概况及发展现状 6

1.2.2 黑色玻璃的制作工艺与种类 8

1.2.3 黑色玻璃的主要特点及应用 9

1.3 主要研究内容 10

第2章 实验部分 12

2.1 纯黑色玻璃的原料 12

2.2 黑色玻璃的着色方法选择 13

2.3 实验设备及其要求与参数设置 14

2.3.1 称量设备 14

2.3.2 熔制设备 14

2.3.3 退火设备 15

2.3.4 切割设备 15

2.3.5 抛光设备 15

2.4 试样的制备及后处理 15

2.5试样性能测试 17

2.5.1差热分析 17

2.5.2 X射线衍射定性分析 18

2.5.3 光谱测试 18

2.5.4 抗弯测试 19

2.5.5 硬度测试 19

2.5.6 热膨胀测试 20

第3章. 实验结果及讨论 21

3.1黑玻璃的差热分析 21

3.2黑玻璃的XRD分析 21

3.3黑色玻璃的光谱分析 25

3.3.1 B#黑色玻璃的光谱测试 25

3.3.2 H#黑色玻璃的光谱分析 27

3.4 黑色玻璃的弯曲测试 29

3.5 黑色玻璃的硬度测试 30

3.6 黑色玻璃的热膨胀测试 31

第4章 实验结论 32

致谢 33

参考文献 34

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

矿产资源作为人类社会高速发展的重要支撑物质，属于不可再生资源。据统计，矿产资源作为“工业的血液”，不仅为我国提供了约80%的工业原料，更提供了95%的能源。随着现代社会工业化的迅速发展和各国对资源需求的巨幅增加，不可再生的矿产资源在逐步枯竭^[1]，同时，各国在经济发展的同时，备受资源短缺、环境恶化以及工业转型的巨大压力。因此，回收并利用尾矿资源以及寻求新型能源替代不可再生矿物能源，成为各国的关注重点以及研究热点。其中，铁尾矿因其产量巨大以及严重污染环境的特点成为尾矿综合回收与利用的关注中心^[2]，太阳能则以其绿色环保与取之不尽、可利用潜力巨大的特点成为各国寻求新型能源的重点研究对象^[3-4]。若能以铁尾矿为原料制作一种纯黑色玻璃进行对太阳光的吸收，并利用光—热、光—电转换技术将其转变为可以直接被人类使用的资源，将有重要意义。

1.1.1 尾矿资源利用现状

矿山尾矿是指原矿经过破碎、磨细提取出各种有用成分后，通过再次富集而形成的含有用非金属和金属矿物较低的矿石原料^[5]。因此，作为含有一定量有用矿物资源的可观原料，尾矿资源在矿产资源急剧短缺的大环境下，将在技术条件提升后成为重要的二次资源^[6]。

一般情况下，尾矿占总原矿量：黑色金属矿石为50%-80%；有色金属矿石为70%-95%；稀有金属矿石甚至大于99%。因此，在全球经济工业化的大环境下，各国尾矿年排放量之和高达50亿吨，我国于2007年堆积尾矿量就高达80.46亿吨^[7]，并且在工业规模化的发展下不断堆积增多^[8]。在我国，大多尾矿仅经过粗碎和细磨后以细颗粒状沉淀堆存于尾矿库，其中不仅有大量的污染性的矿物重金属离子，还残留着选矿时加入的药剂，如剧毒的氰化物。这些重金属离子以及大量的CN^-等有害残留药剂以地表水与地下水作为载体，将对矿山周边的人居环境和生态植被系统造成严重破坏，成为影响矿山经济科学发展和矿区生态环境健康发展的重要因素^[9]，具体影响体现在以下几个方面：

1. 尾矿资源浪费严重

由于我国大多数矿石共生关系复杂、矿石品位低且镶嵌分布粒度细小，再加上自动化水平低下的处理技术与陈旧的选矿设备，很多富含有用成分的尾矿得不到充分的有效利用，但并不代表这些尾矿不具备利用价值^[10]。以老方法开采矿石剩余的尾矿为例，由于受到生产条件的限制，每开采1吨矿石原矿，净产出有用物2%，伴随着的是52%的尾矿、42%的废石和4%的冶炼废渣^[11]。由此可知，在庞大基数下，即便是有用非金属和金属矿物含量较低的尾矿，其矿物资源亦是不可轻易丢弃的财富^[12-13]。

1. 尾矿堆积浪费国家土地资源，加大开发难度与成本

自科学发展观提出来后，节约集约型资源的开发受到国家高度重视，已有少量尾矿在一定程度上被开发应用，但绝大多数的尾矿依旧采取占地堆积的处理方式，而这种浪费土地的粗放管理方式在土地资源日趋紧张的现在必然会加大开发难度并大幅度增加开发成本，降低采矿的社会效益。