體積密度可控的多孔陶瓷濾料的研制

摘要本研究以α-Al₂O₃、硅藻土為主要原料，加入一定量成孔劑、助熔劑，用水做粘結劑制成有一定可塑性的泥料，手工搓球、干燥后經燒成，制備了體積密度可控，性能優異的可用于水處理的多孔陶瓷濾料。采用現代測試方法測定了樣品理化性能，觀察分析了樣品的顯微結構，并探討了影響多孔陶瓷濾料孔特性和體積密度的諸因素。

關鍵詞硅藻土，α-Al₂O₃，多孔陶瓷濾料，體積密度可控

1引言

硅藻土物理化學性能穩定、無毒，能形成高度滲透性的過濾層，故能截留各種雜質微粒，使濾液達到高度澄清。硅藻土助濾劑被廣泛應用于糖漿、蜂蜜、啤酒、果露等各種飲料以及動植物油脂、石油、化纖溶液、生物制藥、城市用水等工業領域。由于硅藻土的種類繁多和多孔特性，使其制品具有其它過濾介質所沒有的過濾性能與吸附性質[1]。硅藻土在低溫煅燒時孔結構保持完好，因此以硅藻土為基質，采用低溫燒結和加入添加劑的方法，可使原有氣孔保留下來而形成多孔陶瓷。采用這種方法可以制得孔徑非常小、分布均勻、成本低的多孔陶瓷。改變成分可調節濾料密度，采用兩層不同容重濾料過濾，是當前國內外普遍應用的過濾技術。由于兩種濾料的體積密度差，在一定的反沖洗強度下，輕質濾料仍在上層，而重質濾料在下層[2～3]，這樣雙層濾料與單層濾料相比，在相同壓力下，過濾周期縮短，濾速提高[4]。

本研究以α-Al₂O₃、硅藻土為主要原料，用手工成球方法制備體積密度可控的多孔陶瓷濾料。

2實驗部分

以α-Al₂O₃、 星子高嶺土、硅藻土、澳大利亞鋰輝石（陶瓷級）、桂廣滑石、鈉長石、鉀長石、霞石正長石、石灰石、白云石和煤粉及石墨（工業純）為原料，原料的化學組成如表1所示，共設計了C、D及H共3個系列的樣品配方，典型的配方組成如表2所示。

按配方準確配料，將球磨混合好的坯料，以水作為粘結劑制成有一定可塑性的泥料，然后手工搓成直徑5～10mm左右的小球。根據差熱曲線制定燒成制度，以5℃/min的升溫速率在硅鉬棒爐中燒成，在合適溫度下保溫，其中最高溫度下保溫1h，用靜力稱重法測定樣品吸水率Wa、氣孔率Pa及體積密度D，用日本產JSM-5610LV掃描電鏡觀察樣品顯微結構。

3分析討論

3.1 氧化鋁含量對樣品體積密度的影響

根據差熱分析確定各樣品的燒成制度及燒成溫度范圍，在燒成溫度范圍內每隔10℃燒成樣品，測定樣品的Wa、Pa及D值和抗壓強度，綜合這些參數確定各樣品的最佳燒成溫度。樣品C1、C2、C3、C4、C5的最佳燒成燒成溫度分別是1 350℃、1 270℃、1 250℃、1 220℃和1 200℃。氧化鋁的含量增多，樣品的最佳燒成溫度提高，達最佳燒成溫度時，其體積密度越大。

3.2 硅藻土含量對樣品體積密度的影響

圖1表明，樣品氣孔率隨著硅藻土含量的增加而增大，而體積密度減小。樣品D5、D6、D7硅藻土含量分別為30%、40%和50%，與之對應的體積密度分別為1.433g/cm³、1.295g/cm³和1.208g/cm³。這是因為硅藻土是一種由許多極小的水生有機體的硅質殘骸組成的沉積巖，主要成分為無定形SiO₂，具有大量微孔。這就使其在沒有添加成孔劑的條件下，仍有較高的氣孔率和較小的體積密度，有利于制備輕質的多孔陶瓷濾料[5]。從圖2可以看出在一定的燒成溫度下仍有部分硅藻土保留了其圓盤多孔狀，并且孔的形狀也很規則。利用硅藻土的這個特性，通過改變其添加量可以制備出氣孔尺寸可控的樣品[6]。

圖1樣品D5、D6、D7的Wa、Pa、D圖

3.3 成孔劑種類和含量對樣品體積密度的影響

對比幾組樣品發現，石墨的添加量比煤粉的添加量少，但是添加石墨的試樣的氣孔率卻比添加煤粉的大，體積密度比添加煤粉的小，說明石墨能有效增大氣孔率、降低體積密度。這是因為煤粉是低溫成孔劑，300℃左右開始燃燒，到600℃就已經燃盡，從而留下氣孔，但是隨溫度的升高，物料開始反應，生成液相后，這些氣孔有一部分會被液相填充而封閉，導致氣孔率降低；而石墨是高溫成孔劑，它在800℃開始燃燒，到1000℃才基本燃盡[7]，這個溫度與燒成溫度接近，所以被液相填充的氣孔量遠少于添加煤粉的樣品，使其氣孔率較高。從體積密度測試結果來看，樣品的體積密度大約分布在0.7g/cm³、1.0g/cm³、1.5～1.7g/cm³、2.0g/cm³以上幾個范圍，這對于雙層濾料濾池的反沖洗是十分有利的。以上分析說明了通過改變成孔劑及其添加量，可以有效控制樣品的氣孔率和體積密度。

3.4 燒成溫度和保溫時間對樣品體積密度的影響

在不同的燒成溫度下制備的同組成樣品，在燒成溫度分別為900℃、950℃、1000℃、和1050℃時，體積密度分別為0.623g/cm³、0.731g/cm³、0.739g/cm³、0.751g/cm³。從結果看，體積密度隨著溫度升高而增大。由于燒成溫度升高，物料之間反應生成更多液相，填充到低溫下形成的氣孔中，并且液相的浸潤使得樣品的收縮量增大，從而使得樣品結構致密化，氣孔量大大減少，氣孔率降低，體積密度增大。

保溫時間對樣品的體積密度也是有影響的。保溫時間從1h延長到3h，體積密度從2.102g/cm³增大到2.313 g/cm³，體積密度隨保溫時間的延長而增加。隨著保溫時間的增加，氣孔率降低，體積密度增大。這是由于保溫時間延長，物料反應更加完全，液相量增多，樣品的收縮變大，氣孔的孔徑變小，因此氣孔所占空間變小，導致氣孔率下降，從而體積密度增大。

3.5 硅藻土的高溫性能

圖2是在1100℃下燒成的樣品D7的SEM圖。圖中仍可以看到硅藻土的圓盤狀或管狀多孔的原形，又明顯地看到大量由于燒結程度較高而被離散的硅藻土顆粒，形狀極不規則。大量的硅藻土微孔則仍然存在于樣品中，由于沒有加入成孔劑，所以除了硅藻土微孔外，其它氣孔是由硅藻土顆粒堆積形成的。

圖2 樣品D7的斷面SEM形貌圖（1100℃，1h燒成）

圖3樣品H1的斷面SEM形貌圖（1170℃，1h燒成）

圖3 是在1170℃燒成的樣品H1的SEM圖。圖中看不到硅藻土的原形，說明硅藻土已經大量熔融成液相。部分尚未熔融的硅藻土也由于燒結程度提高而使原有結構被破壞，形成一些離散的細小硅藻土顆粒。少量硅藻土原料中的微孔仍然存在，多數已經被液相封閉。樣品中含有大量的孔徑大約為幾十微米的大氣孔，這是煤粉燃燒后留下的。

4結論

（1） 通過控制成孔劑種類、加入量、燒成溫度、保溫時間，可以控制樣品的體積密度、抗壓強度等性能，以適應不同的使用要求，從而拓展多孔陶瓷濾料應用途徑及范圍。

（2） 燒成溫度從900℃升高到1050℃，樣品的體積密度從0.623g/cm³增大到0.751g/cm³，說明樣品的體積密度隨燒成溫度的升高而增大；保溫時間從1h延長到3h，體積密度從2.102g/cm³增大到2.313g/cm³，體積密度隨保溫時間延長而增加。

（3） 硅藻土含量從30%提高到50%，氣孔率從56.37%增加到59.84%，體積密度從1.433g/cm³減少到1.208g/cm³，可見增加配方中硅藻土的含量可以有效提高氣孔率，降低體積密度。

（4） 添加40%石墨為成孔劑的樣品，氣孔率比添加50%煤粉為成孔劑的樣品氣孔率高、體積密度小，可見石墨的成孔效果比煤粉好，能很好地提高氣孔率、降低體積密度，但成本比煤粉高。

（5） SEM分析表明，樣品中含有大量三維網狀微孔，孔徑在幾十微米范圍內。硅藻土在溫度低于1100℃時，仍有其原型存在，但多數已經變形，有些甚至被破壞，形成離散的硅藻土顆粒。硅藻土在高于1100℃時，將失去原有形貌，對降低體積密度貢獻甚微。

參考文獻

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2 王曉梅.單層砂濾料改為雙層濾料的實踐作用[J].四川兵工學報，1996，17(2):36～38

3 王 圃，姚雨霖，程民權.莫來石-堇青石(MJC)濾料濾層反沖洗理論[J].重慶建筑工程學院學報，1994，16(4):40～45

4 江 萍，胡九成.國產輕質球形陶粒用于曝氣生物陶粒濾池的研究[J].環境科學學報，2002，22(4):459～464

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