鎂渣多孔陶瓷濾球氣孔率的調(diào)控

吳建鋒 梁 鳳 徐曉虹 成 昊 葉 芬 周安妮

(武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢：430070)

1 前言

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，污染物質(zhì)種類(lèi)和數(shù)量不斷增加，固體廢棄物的堆積不僅大量占用土地，而且造成二次污染。綜合利用這些廢渣研制新型的過(guò)濾材料對(duì)各種廢水廢氣處理具有重大環(huán)保意義。而對(duì)鎂工業(yè)廢渣的利用趨向于將其制備成墻體材料及水泥熟料，對(duì)將其制備成多孔陶瓷濾料，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)報(bào)道。鎂工業(yè)廢渣呈顆粒狀，結(jié)構(gòu)疏松，顆粒較規(guī)整，呈層片狀規(guī)則堆積，顆粒尺寸為幾個(gè)μm～50μm。本文試圖以鎂渣為主原料，配以適當(dāng)?shù)臒芍鷦┖统煽讋捎锰沾芍苽浼夹g(shù)制備環(huán)保多孔陶瓷濾球。

2 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)利用鎂工業(yè)廢渣為主原料，通過(guò)添加不同量的低溫成孔劑煤粉和高溫成孔劑石墨、白云石等三種不同成孔劑來(lái)達(dá)到對(duì)鎂渣多孔陶瓷濾球的氣孔率調(diào)控。主要原料及其化學(xué)組成見(jiàn)表1、表2。按圖1所示工藝流程制備樣品。

采用阿基米德原理靜力稱重法測(cè)試了樣品的吸水率(Wa)、顯氣孔率(Pa)和體積密度(D。采用英國(guó)產(chǎn)INSTRON8800型壓力測(cè)試機(jī)測(cè)試了樣品的壓碎強(qiáng)度。采用日本產(chǎn)D/MAX-Ⅲ型X-ray衍射儀分析樣品的相組成,采用日本產(chǎn)JSM-5610LV型掃描電鏡對(duì)樣品顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

圖1 樣品制備工藝流程圖Fig.1 The flow chart of samples

3 結(jié)果分析與討論

3.1 幾種成孔劑對(duì)樣品氣孔率的影響

表3是燒成樣品的氣孔率Pa、吸水率Wa、體積密度D的測(cè)試結(jié)果。

由表3可知，當(dāng)外加煤粉30%，燒成溫度為1100℃時(shí),A-1的氣孔率為56.81%；燒成溫度為1140℃時(shí),A-1的氣孔率為44.12%,明顯高于未添加煤粉時(shí)樣品A-0的氣孔率36.24%。煤粉的主要成分都是碳，在300～600℃時(shí)燃燒，屬低溫成孔劑，其氧

化反應(yīng)為：C+O2=CO2，2C+O2=2CO，C+CO2=2CO。隨著溫度升高，該反應(yīng)放出大量氣體，從而在濾球坯體中形成氣孔。而燒成溫度過(guò)高時(shí)，配料中低共熔點(diǎn)的硅酸鹽促進(jìn)液相燒結(jié)，液相生成量過(guò)多，堵塞氣孔使氣孔率下降。

表1 原料化學(xué)成分（w t%）Tab.1 Chemical compositions of raw materials(wt%)

表2 A系列實(shí)驗(yàn)配方組成(w t%)Tab.2 Batch formula of series A(wt%)

表3 A系列樣品的Wa、P a、D測(cè)試結(jié)果Tab.3 Wa,Pa and D of samples A

由表3可見(jiàn)，樣品A-2、A-3、A-4中石墨的添加量分別為10%、15%、20%。燒成溫度為1100℃時(shí)，A-4的氣孔率最高為53.25%，說(shuō)明石墨的添加量越高，氣孔率越高。燒成溫度為1140℃時(shí)，A-2、A-3、A-4的氣孔率均降低，分別為 35.32%、37.12%、32.89%，說(shuō)明高溫時(shí)有大量液相生成，堵塞氣孔，使其氣孔率降低。反應(yīng)機(jī)理同煤粉，只是石墨的氧化從600℃開(kāi)始，燃燒最大速率點(diǎn)在820℃左右，屬高溫成孔劑。

由表3還可見(jiàn)，A-5、A-6中白云石的添加量分別為10%、20%。燒成溫度為1100℃時(shí)，A-6的氣孔率為49.13%，高于A-5的氣孔率（47.22%）。燒成溫度為1140℃時(shí)，A-5、A-6的氣孔率均降低，分別為23.40%、41.79%。A系列樣品氣孔率隨煤粉和石墨添加量增加而增大，增大趨勢(shì)相同。但隨著白云石添加量的增大，有反常現(xiàn)象出現(xiàn)，這與其組成有關(guān)。白云石主要成分是MgCO3和CaCO3，它在燒成過(guò)程中發(fā)生分解反應(yīng),放出大量的氣體CO2形成氣孔。在高溫下分解出助熔劑CaO、MgO,有助于陶瓷樣品強(qiáng)度的提高,加入過(guò)多會(huì)堵塞氣孔使氣孔率下降。由表3可以看出以白云石作為成孔劑的樣品的氣孔率和吸水率均比較低,可能是因?yàn)楦邷叵翸gO、CaO與配料中的SiO2生成硅酸鹽玻璃相,填充了部分已形成的孔,從而導(dǎo)致氣孔率降低。

另外，由表3可知，吸水率的變化趨勢(shì)與顯氣孔率變化趨勢(shì)基本一致，體積密度的變化趨勢(shì)與顯氣孔率變化趨勢(shì)大致相反。表明該系列濾球中所成氣孔均為開(kāi)氣孔，有利于實(shí)現(xiàn)其過(guò)濾性能。

表4 經(jīng)1100℃燒成部分樣品的各項(xiàng)性能Tab.4 Properties of the samples fired at 1100℃

3.2 影響樣品強(qiáng)度及耐酸耐堿性的因素

由表3，表4可知強(qiáng)度和氣孔率是多孔陶瓷制備中的一對(duì)矛盾體，這表明多孔陶瓷濾球中的氣孔大多是開(kāi)口氣孔。同時(shí)，因?yàn)樘沾审w中的孔洞將降低載荷作用的橫截面積，且氣孔容易引起應(yīng)力集中，造成強(qiáng)度下降。

成孔劑的種類(lèi)也會(huì)影響樣品的強(qiáng)度。未加成孔劑的樣品A-0的抗壓碎強(qiáng)度為13.32 MPa;采用煤粉作為成孔劑的樣品A-1的抗壓碎強(qiáng)度為12.98 MPa;采用石墨作為成孔劑的樣品A-4的抗壓碎強(qiáng)度為34.21 MPa;采用白云石作為成孔劑的樣品A-6的抗壓碎強(qiáng)度為10.01MPa。測(cè)試結(jié)果顯示成孔劑的種類(lèi)對(duì)樣品抗壓碎強(qiáng)度的影響順序是：石墨＞煤粉＞白云石。其趨勢(shì)與氣孔率相反，即氣孔率高，抗壓碎強(qiáng)度就低；這些樣品氣孔率及強(qiáng)度都能達(dá)到水處理及廢氣處理之要求。此外,成孔劑、燒成助的添加量,燒成溫度,骨料顆粒的級(jí)配對(duì)樣品強(qiáng)度都有影響。

配料中含有SiO2、Al2O3，在燒成過(guò)程中形成的硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中具有硅氧四面體，Si-O共鍵力是較強(qiáng)的共價(jià)鍵，因而其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有良好的耐蝕性。但配料中含有Fe2O3、Na2O、CaO等堿性氧化物也易溶于酸。由XRD圖2可以看出，燒成樣品的主晶相是Ca2Al2SiO7（鈣鋁黃長(zhǎng)石）、CaSiO3（硅酸鈣），Ca2MgSi2O7（鎂黃長(zhǎng)石）。由表4可見(jiàn)，配料的組成及燒成樣品的相組成賦予鎂渣多孔陶瓷濾球優(yōu)異的耐酸耐堿性，同時(shí)也表明成孔劑的添加對(duì)樣品耐酸耐堿性無(wú)影響。樣品耐酸耐堿性取決于配料的組成、樣品的相組成及微觀結(jié)構(gòu)。

3.3 樣品的相組成及顯微結(jié)構(gòu)分析

圖2 經(jīng)1100℃燒成樣品的X R D圖譜Fig.2 XRD patterns of the specimens fired at 1100℃

圖3 經(jīng)1100℃燒成A-0樣品斷面的S E M形貌圖Fig.3 SEM micrographs of the fractured surface of Sample A-0 fired at 1100℃

圖4 經(jīng)1100℃燒成樣品A-1斷面的S E M形貌圖Fig.4 SEM micrographs of the fractured surface of Sample A-1fired at 1100℃

圖5 經(jīng)1100℃燒成樣品A-4斷面的S E M形貌圖Fig.5 SEM micrographs of the fractured surface of Sample A-4 fired at 1100℃

圖6 經(jīng)1100℃燒成樣品A-6斷面的S E M形貌圖Fig.6 SEM micrographs of the fractured surface of Sample A-6 fired at 1100℃

采用日本產(chǎn)D/MAX-Ⅲ型X-ray衍射儀分析添加不同成孔劑的最佳樣品的晶相組成，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2顯示出了樣品A-1,A-4,A-6的XRD圖譜,可以看出樣品的相組成主要是Ca2Al2SiO7（鈣鋁黃長(zhǎng)石）、CaSiO3（硅酸鈣），Ca2MgSi2O7（鎂黃長(zhǎng)石）,可知添加適量成孔劑后，晶粒生長(zhǎng)狀況良好，達(dá)到了原位生成鈣長(zhǎng)石等含鈣晶體以增強(qiáng)樣品的目的。

采用日本產(chǎn)JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡分析添加不同成孔劑的最佳樣品的顯微形貌，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3～圖6。

由圖3,圖4可見(jiàn)，A-1樣品斷面與未添加成孔劑的樣品A-0相比，添加了30%的煤粉的A-1氣孔更細(xì)小，分布更均勻；晶體呈板條狀和針棒狀交織生長(zhǎng)，并被玻璃相粘接。由圖3，圖5可見(jiàn)，A-4樣品斷面與未添加成孔劑的樣品A-0相比，添加了20%的石墨的A-4產(chǎn)生的氣孔更粗大，晶粒生長(zhǎng)的更緊密，有大量板條或棒狀晶體交織生成，形狀規(guī)則，并被玻璃相粘接，氣孔形貌不一致，分布較均勻。由圖3，圖6可見(jiàn)，與未添加成孔劑的樣品A-0相比，添加了20%的白云石A-6樣品中有大量顆粒生成，氣孔疏松，分布較均勻。添加適量成孔劑后，由于大量氣孔的形成造成氣相傳質(zhì)，有助于燒成及晶體生長(zhǎng)，相組成略有變化。顯微結(jié)構(gòu)分析表明，成孔劑添加量越多，樣品氣孔越豐富，其形貌越一致，分布越均勻，晶粒生長(zhǎng)發(fā)育充分，形狀規(guī)整，分布均勻。

4 結(jié)論

(1)對(duì)鎂渣多孔陶瓷的顯氣孔率調(diào)控研究表明，顯氣孔率與成孔劑種類(lèi)及添加量密切相關(guān)：氣孔率隨煤粉和石墨添加量增加而增大，隨著白云石添加量的增大而減小。

(2)添加成孔劑后的最佳樣品為：高溫成孔劑石墨添加量為20%，燒成溫度為1100℃時(shí)，樣品的顯氣孔率為56.17%,吸水率為43.76%,體積密度為1.28g/cm3,抗壓碎強(qiáng)度為34.21MPa，耐酸性99.59%，耐堿性99.81%。

(3)測(cè)試結(jié)果顯示成孔劑的種類(lèi)對(duì)樣品抗壓碎強(qiáng)度的影響順序是：石墨＞煤粉＞白云石。其趨勢(shì)與氣孔率相反。成孔劑、燒成助的添加量,燒成溫度,骨料顆粒的級(jí)配對(duì)樣品強(qiáng)度都有影響。樣品耐酸耐堿性取決于配料的組成、樣品的相組成及微觀結(jié)構(gòu)。這些樣品氣孔率和強(qiáng)度及耐酸耐堿性都能達(dá)到水處理及廢氣處理之要求。

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