造孔劑對利用電解錳渣制備多孔陶瓷影響的研究

成 昊，葉 芬，韋 虹，石 維，吳思展

(銅仁學院 材料與化學工程學院，貴州 銅仁 554300)

電解錳渣是生產電解錳后所產生的過濾酸渣，是電解錳行業的主要污染物。金屬錳是冶金、化工、新能源、航空等領域的重要原料，2006年年產量達100萬t[1]，2012年年產量達116萬t[2]，2016年年產量維持在115萬t左右。早期電解錳企業采用高品位的錳礦石生產電解錳，每生產1t電解錳產生6～7t電解錳渣，現主流的碳酸錳礦的品位下降至13%，每生產1t電解錳產生10～15t電解錳渣，目前我國露天電解錳渣堆存量超過5000萬t[3]。大量電解錳渣的堆放不僅浪費國土資源，其滲濾液會污染當地的水資源[4]，其危害是巨大的。

多孔陶瓷由于含有大量的氣孔，且具有耐酸堿腐蝕、耐高溫、抗氧化、抗紫外線等多種優點可以被應用在很多領域，本文根據陶瓷形成多孔的機理不同選擇了高溫造孔劑和低溫造孔劑來制備電解錳渣多孔陶瓷[5]，為電解錳渣的資源化利用提供新的途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗原料及配方

試驗所用的電解錳渣來自貴州銅仁某電解錳廠，其化學組成如表1所示。選用的低溫造孔劑為日常取暖用的塊狀木炭，選用的高溫造孔劑為的SiC，試驗的配方如表2所示。

表1 電解錳渣和頁巖的化學成分 %

表2 實驗配方 %

1.2 制備工藝

樣品成型之前需要對木炭進行預處理，將木炭進行球磨過80目篩備用。樣品采用半干壓成型，成型壓力為5 kN，樣品按照表2稱量通過快速球磨機混合15 min 后，經過噴霧造?！惛?4 h →裝入直徑為30 mm的磨具、成型→干燥→燒成→性能表征。最高燒成溫度分別為1130 ，1150 ，1170，1190 ℃，在最高溫度處保溫50 min。

2 實驗結果與討論

2.1 燒成溫度對樣品厚度和直徑的影響

樣品厚度的變化率與溫度的關系曲線如圖1和圖2所示，樣品厚度變化率的計算如公式(1)所示，樣品直徑變化率的計算如公式(2)所示。從圖1中可以看到，Y0、Y1、Y2、Y3的厚度隨著溫度的升高逐漸降低，這是因為樣品隨著溫度的升高樣品的顆粒間間距減小，所以樣品的尺寸逐漸減小，它們的變化率逐漸升高。其中Y4的厚度變化率先升高后降低，甚至出現負值，這是因為Y4添加了較多的高溫發泡劑，SiC在較高溫度下分解產生氣體，在樣品中留下孔洞，使樣品尺寸變大[6]。

圖1 樣品厚度變化率曲線圖

圖2 樣品直徑變化率曲線圖

圖3 1190℃燒制的樣品圖片

從圖2中可以看到，樣品的直徑變化率均出現隨著溫度的升高而增加，在1190℃處均出現負值，說明樣品的直徑明顯增大，見圖3。樣品在1170℃之前沒有產生大量的液相，當溫度超過1170℃出現了較多的液相，SiC分解產生氣體，在樣品中留下氣孔，使樣品尺寸增加。樣品在1190℃熱處理后，厚度降低直徑明顯增加，這是因為電解錳渣含有較多的熔劑成分，使高溫液相流動性較好，說明電解錳渣高溫液相的粘度較低。另外，以木炭為造孔劑的樣品Y1和Y2的尺寸變化比以SiC為造孔劑樣品的變化小。這是因為，隨著溫度的升高木炭被碳化留下的孔洞被液相填充，隨著溫度升高剩余的孔洞里的空氣膨脹形成氣孔使樣品的尺寸增大。以上結果顯示，以電解錳渣作為原來制備多孔陶瓷，SiC的造孔性能優于木炭。

(1)

式中：T——樣品厚度變化率，%；

T1——樣品干燥后的厚度尺寸，cm；

T2——樣品熱處理后的厚度尺寸，cm。

(2)

式中：D——樣品厚度變化率，%；

D1——樣品干燥后的厚度尺寸，cm；

D2——樣品熱處理后的厚度尺寸，cm。

2.2 樣品的強度測試

選擇Y3和Y4配方，采用平鋪法，1170 ℃燒制的樣品如圖4所示。采用深圳萬測生產的型號為ETM105D萬能材料試驗機，對樣品進行了抗壓測試。試驗結果如表3所示，Y3抗壓強度為6.55 MPa優于Y4樣品，這是因為Y4樣品SiC含量較多，斷面出現尺寸較大的孔洞，Y3樣品孔洞較小所以結構相對致密，有利于強度的提高。

圖4 1170℃燒制的樣品圖片

圖5 1170℃燒制的樣品斷面圖片

樣品編號溫度/℃抗壓強度/MPaY311706.55Y44.52

3 結論

(1)電解錳渣可以用來制備多孔的陶瓷，高溫造孔劑SiC比低溫造孔劑木炭容易使樣品的尺寸增大，產生大量的孔洞。

(2)以SiC為造孔劑在1170℃熱處理的Y3樣品的抗壓強度為6.55MPa，樣品的抗壓強度與SiC的摻入量有關。