水凈化處理用多孔玻璃纖維的研制

安春愛，劉博林

(長春理工大學 材料科學與工程學院，長春 130022)

在水的凈化處理中，對于懸浮微粒的處理，通常采用過濾和吸附兩種工藝過程，目前多采用活性炭、多孔陶瓷粒、多孔玻璃珠、多孔樹脂等介質材料達到上述目的，但均存在一定不足[1]。隨著科學的發展，特別是各種先進測試儀器的出現，人們對玻璃性能的認識越來越廣泛。如采用X-射線衍射儀，研究了微晶玻璃在酸浸析前后的晶相及其變化，借助掃描電子顯微鏡觀察了多孔玻璃的微觀結構[2]。多孔玻璃適合用做吸附劑、催化劑載體和藥物緩釋劑等，在環境、生物、醫學和化學反應等現代工程技術中均有廣泛的應用。玻璃纖維是一種極細的纖維狀材料，它可以制成紗、布、帶、氈、板、管殼等各種形狀的制品。各種方法生產的玻璃纖維都呈光滑的圓柱狀，其截面在全長范圍內均呈完整的圓形。與有機纖維非圓形截面顯然不同，它的表面就不像有機纖維呈皺紋狀，而是相當光滑，因而纖維間的抱合力非常小。用它造紙，強度不高，但用作過濾材料，對流體的阻力比有機纖維小。玻璃纖維的吸水作用也比有機纖維小的多[3]。

本文將玻璃纖維制成多孔玻璃纖維，將它們的各個性能結合到一起，應用到水凈化處理中。多孔玻璃纖維用于水凈化處理，最大優點在于制品為96%以上的SiO2組成，性能穩定，不會對水產生二次污染，多孔玻璃纖維中均勻分布著直徑以?為單位的孔，孔隙率和孔徑可通過制備工藝來進行調整，為制備優良的水凈化處理材料奠定了基礎。

1 實驗

1.1 玻璃原料配比與熔制工藝

在Na2O-B2O3-SiO2三元不混溶區域圖內選取玻璃成分，考慮氣孔率的要求，適當減少SiO2含量而增加Na2O-B2O3含量。引入適量的Al2O3，因Al3+在玻璃中能優先奪取游離氧形成[AlO4]進入硅氧骨架，促進玻璃分相[4]。Al2O3的引入量一般不超過3%，否則玻璃熔化溫度過高，難以熔化。以少量Sb2O3作為玻璃熔制的澄清劑，玻璃配方如表1。

表1 玻璃配方(w t%)Tab.1 The for mulaof glass(wt%)

玻璃的配合料在容積為400mL的剛玉坩堝內，用硅鉬棒電阻爐熔制。加料溫度為1370℃，熔融澄清溫度為1450±10℃，于1200℃出爐，澆注成型，送入馬弗爐中，于500℃退火。玻璃熔制工藝曲線如圖1所示[5]。

圖1 玻璃的熔制工藝曲線Fig.1 The curve of the melting process of the glass

1.2 玻璃纖維的制備與處理

將制得的玻璃加熱到拉絲粘度的溫度1050℃，拉制成直徑10μm左右的玻璃纖維。分別稱量一定量的玻璃纖維分為三組，其中兩組在620℃、一組在580℃下進行熱處理，記錄熱處理時間(見表2)。為了觀察明顯，每組樣品配以同樣玻璃的塊狀玻璃作為現象觀察參照物。當塊狀玻璃由透明變為乳白色時，即玻璃纖維也就從透明變為乳白色，證明玻璃分相已基本結束。

玻璃纖維分相后，在濃度為2mol/L的HCl溶液中進行酸浸處理，使玻璃纖維中分出的Na2O-B2O3相溶解于酸。為使玻璃纖維穩定不炸裂，酸中加入適量濃度為40%的NH4Cl溶液作為緩沖劑。酸處理是在恒溫95℃條件下進行。酸處理以玻璃纖維從乳白色變為透明為止。然后經水洗、脫水、烘干，得到多孔玻璃纖維。

2 性能測試

利用北京波奧德電子技術有限公司生產的“孔隙及比表面積測定儀”，測定多孔玻璃纖維樣品的孔隙及比表面積，主要控制參數如下：初始壓力25000Pa，遞進壓力8000Pa，真空處理10min，吸附120s，脫附120s，測試結果見圖2和表3。

3 結果與討論

3.1 熱處理條件對氣孔率的影響

表2為樣品在不同熱處理條件下得到的多孔玻璃纖維的氣孔率。從表2中數據可以看出，分相熱處理的溫度和時間直接影響多孔玻璃纖維的氣孔率。在相同的溫度下，熱處理時間越長，氣孔率越大；同樣，在相同的熱處理時間下，熱處理溫度越高，氣孔率也就越大。適當延長分相熱處理的時間，樣品的氣孔率變化較大。其原因是由于熱處理的時間延長，玻璃分相較充分，鈉硼相液滴聚集變大，有利于酸浸，故得到的樣品的氣孔孔徑加大，氣孔率也較大。

表2 熱處理條件對多孔玻璃纖維氣孔率的影響Tab.2 Effect of the heattreat mentcondition sonthe porosity of the poros glass fiber

3.2 樣品的孔隙及比表面積

圖2 試樣1的BJ E吸附孔體積分布圖Fig.2 The adsorption porevolume profile of the No.1 sample

采用孔隙及比表面積測定儀，測量了多孔玻璃纖維的孔徑，孔徑分布如圖2所示。由圖2可知孔半徑主要分布于10～100?之間。比表面積如表3，由表3可知在該孔徑分布情況下氣孔率與比表面積之間成正比關系。

表3 試樣的比表面積Tab.3 The speci ficsur facearea of the samples

3.3 影響氣孔率的因素

在Na2O-B2O3-SiO2系統玻璃中，影響氣孔率大小的最關鍵問題是玻璃分相。即控制多孔玻璃氣孔率的關鍵在于對分相過程的控制[6]?？刂撇ＡХ窒嗤ǔＳ幸韵聝蓚€途徑：

① 改變玻璃配方中各組分的配比

原則上玻璃組分處在不混溶區域內就可使玻璃分相，為了保證分相后氧化硅形成的硅氧骨架的完整性，SiO2的含量必須在55%以上。而氣孔率則是由分相后Na2O-B2O3相溶出所形成的氣孔的多少來決定。這就是說，改變兩相的比率，即在SiO2的含量不低于55%的情況下，適當減少SiO2的含量，提高Na2O-B2O3含量就可達到增加氣孔率的目的[7]。

②改變分相熱處理的條件

多孔玻璃的性質，如孔徑、孔的連接和孔徑分布的均勻程度都由分相過程直接決定。DTA的結果顯示分相最適宜的溫度是在520℃到729.7℃的范圍內[8]。在玻璃分相熱處理范圍內，熱處理的溫度越高，分相越徹底。在熱處理溫度一定的條件下，時間越長，分相也越徹底。分相越徹底，Na2O-B2O3相與SiO2相的分離也就越完全，分離出來的Na2O-B2O3的量也就越多，則氣孔率也就越大。

3.4 水中濁度的測定

表4 利用多孔玻璃纖維處理水樣濁度對比Tab.4 The contrast of turbidityh and ledby the porous glass fiber

利用美國產2100P型便攜式濁度儀對取自長春市5個不同地點的自來水水樣進行了濁度去除效果試驗，主要控制參數為：pH值為6.5～7.5之間，水溫為20℃～25℃，從處理效果看，水中濁度去除效果明顯，處理前后水質指標對比見表4。

實驗數據表明，水樣濁度在9.65～10.90NTU范圍內時，利用多孔玻璃纖維處理后濁度去除率在85%以上，達到GB5749-2006《生活飲用水衛生標準》中的要求。

4 結論

以Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2系統玻璃制成纖維，再經過分相熱處理、酸溶、水洗、烘干，可得到具有一定氣孔率的多孔玻璃纖維。以玻璃棉、玻璃纖維氈的形式用于水凈化處理。

用以制造多孔玻璃纖維的玻璃，采用Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2系統時，在SiO2不低于55%的前提下，可適當降低SiO2含量，而相應提高Na2O-B2O3的含量，有利于提高其氣孔率。

在分相熱處理溫度內，選擇適當的熱處理溫度與時間，可得到所需要的微孔孔徑。

利用制備的多孔玻璃纖維進行水凈化處理，結果表明，水樣濁度在9.65～10.90NTU范圍內時，利用多孔玻璃纖維處理后濁度去除率在85%以上，效果良好。

[1]許建華.水的特種處理[M].上海：同濟大學出版社，1989.

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[3]西北輕工業學院.玻璃工藝學[M].北京：輕工業出版社，1982.

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[5]曹志峰，張希艷，趙志強.多孔玻璃微珠的研制[J].光學技術報，1998(4)：5-6.

[6]李楊，韓高榮，應浩.鈉硼硅玻璃分相的研究[J].硅酸鹽通報，2006(5)：152-154.

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