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

隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，污染物質(zhì)種類和數(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濾材料對各種廢水廢氣處理具有重大環(huán)保意義。而對鎂工業(yè)廢渣的利用趨向于將其制備成墻體材料及水泥熟料，對將其制備成多孔陶瓷濾料，國內(nèi)外尚無報道。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 實驗

本實驗利用鎂工業(yè)廢渣為主原料，通過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達(dá)到對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試了樣品的吸水率(Wa)、顯氣孔率(Pa)和體積密度(D。采用英國產(chǎn)INSTRON8800型壓力測試機測試了樣品的壓碎強度。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的測試結(jié)果。

由表3可知，當(dāng)外加煤粉30%，燒成溫度為1100℃時,A-1的氣孔率為56.81%；燒成溫度為1140℃時,A-1的氣孔率為44.12%,明顯高于未添加煤粉時樣品A-0的氣孔率36.24%。煤粉的主要成分都是碳，在300～600℃時燃燒，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。而燒成溫度過高時，配料中低共熔點的硅酸鹽促進(jìn)液相燒結(jié)，液相生成量過多，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系列實驗配方組成(w t%)Tab.2 Batch formula of series A(wt%)

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

由表3可見，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，A-4的氣孔率最高為53.25%，說明石墨的添加量越高，氣孔率越高。燒成溫度為1140℃時，A-2、A-3、A-4的氣孔率均降低，分別為 35.32%、37.12%、32.89%，說明高溫時有大量液相生成，堵塞氣孔，使其氣孔率降低。反應(yīng)機理同煤粉，只是石墨的氧化從600℃開始，燃燒最大速率點在820℃左右，屬高溫成孔劑。

由表3還可見，A-5、A-6中白云石的添加量分別為10%、20%。燒成溫度為1100℃時，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，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,有助于陶瓷樣品強度的提高,加入過多會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,可能是因為高溫下MgO、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，吸水率的變化趨勢與顯氣孔率變化趨勢基本一致，體積密度的變化趨勢與顯氣孔率變化趨勢大致相反。表明該系列濾球中所成氣孔均為開氣孔，有利于實現(xiàn)其過濾性能。

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

3.2 影響樣品強度及耐酸耐堿性的因素

由表3，表4可知強度和氣孔率是多孔陶瓷制備中的一對矛盾體，這表明多孔陶瓷濾球中的氣孔大多是開口氣孔。同時，因為陶瓷體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，造成強度下降。

成孔劑的種類也會影響樣品的強度。未加成孔劑的樣品A-0的抗壓碎強度為13.32 MPa;采用煤粉作為成孔劑的樣品A-1的抗壓碎強度為12.98 MPa;采用石墨作為成孔劑的樣品A-4的抗壓碎強度為34.21 MPa;采用白云石作為成孔劑的樣品A-6的抗壓碎強度為10.01MPa。測試結(jié)果顯示成孔劑的種類對樣品抗壓碎強度的影響順序是：石墨＞煤粉＞白云石。其趨勢與氣孔率相反，即氣孔率高，抗壓碎強度就低；這些樣品氣孔率及強度都能達(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,骨料顆粒的級配對樣品強度都有影響。

配料中含有SiO2、Al2O3，在燒成過程中形成的硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中具有硅氧四面體，Si-O共鍵力是較強的共價鍵，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（鈣鋁黃長石）、CaSiO3（硅酸鈣），Ca2MgSi2O7（鎂黃長石）。由表4可見，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，同時也表明成孔劑的添加對樣品耐酸耐堿性無影響。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，測試結(jié)果見圖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（鈣鋁黃長石）、CaSiO3（硅酸鈣），Ca2MgSi2O7（鎂黃長石）,可知添加適量成孔劑后，晶粒生長狀況良好，達(dá)到了原位生成鈣長石等含鈣晶體以增強樣品的目的。

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，測試結(jié)果見圖3～圖6。

由圖3,圖4可見，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，并被玻璃相粘接。由圖3，圖5可見，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，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，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，晶粒生長發(fā)育充分，形狀規(guī)整，分布均勻。

4 結(jié)論

(1)對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，樣品的顯氣孔率為56.17%,吸水率為43.76%,體積密度為1.28g/cm3,抗壓碎強度為34.21MPa，耐酸性99.59%，耐堿性99.81%。

(3)測試結(jié)果顯示成孔劑的種類對樣品抗壓碎強度的影響順序是：石墨＞煤粉＞白云石。其趨勢與氣孔率相反。成孔劑、燒成助的添加量,燒成溫度,骨料顆粒的級配對樣品強度都有影響。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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