多孔陶瓷質(zhì)凈水器濾芯的研制

劉宗振

摘 要：本文介紹了利用多孔陶瓷的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用注漿成形的工藝方法制備多孔陶瓷凈水器濾芯，并對其主要影響因素進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：多孔陶瓷；凈水器；濾芯

1 前言

隨著人們生活水平的提高，人們對生活用水的水質(zhì)要求越來越高。由于我國傳統(tǒng)的給水工藝和供水管網(wǎng)本身存在一些問題，導(dǎo)致城鄉(xiāng)自來水的水質(zhì)提高緩慢，難以達(dá)到人們的預(yù)期。因此，一些居民都在家中的供水終端安裝了凈水裝置。目前，很多凈水器的價(jià)格比較昂貴，限制了凈水器的推廣和使用，因此研制一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、操作簡單而又安全的家用凈水器，對于提高城鄉(xiāng)居民的生活飲用水的衛(wèi)生水平十分必要。濾芯是凈水器的核心部件，它通過過濾、吸附等物理方法除去水中的雜質(zhì)及細(xì)菌，把自來水變成凈化水，且不會產(chǎn)生二次污染。多孔陶瓷由于具有分離效率高、節(jié)約能源、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、易于再生等優(yōu)點(diǎn)，成為凈水器濾芯的理想材料。筆者采用石英、硅藻土、氧化鋁作為基體材料，利用木炭粉、貝殼粉作為造孔劑，使用粘土作為粘合劑和高溫粘結(jié)劑，利用注漿成形的方法成功制備了多孔陶瓷質(zhì)凈水器濾芯，其各項(xiàng)性能指標(biāo)經(jīng)測試和試用后均達(dá)到使用要求。

2 試驗(yàn)過程

2.1制備工藝的選擇

陶瓷濾芯屬多孔陶瓷，多孔陶瓷材料的材質(zhì)種類繁多，由于使用目的不同，對材料的性能要求各異。近年來逐漸開發(fā)出許多不同的多孔陶瓷制備技術(shù)，其中應(yīng)用得較廣泛、較成功的工藝有：添加造孔劑工藝、發(fā)泡工藝、有機(jī)泡沫浸漬工藝、溶膠-凝膠工藝等，表1比較了這幾種工藝方法的特點(diǎn)及應(yīng)用。

由表1可知，添加造孔劑工藝能生產(chǎn)形狀復(fù)雜、各種氣孔結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷制品，該工藝使產(chǎn)品既有較高的氣孔率，又具有很好的強(qiáng)度，比較適合凈水器濾芯的生產(chǎn)。因此，本實(shí)驗(yàn)采用添加造孔劑工藝制備產(chǎn)品。該工藝通過在陶瓷配料中添加造孔劑，在坯體中占據(jù)一定的空間，然后經(jīng)過燒成，造孔劑分解或燒失離開基體，形成氣孔來制備多孔陶瓷。根據(jù)材質(zhì)不同，主要有以下幾種類型：石英質(zhì)、鋁硅酸鹽質(zhì)、精陶質(zhì)、硅藻土質(zhì)材料、純碳質(zhì)材料、剛玉和金剛砂材料、堇青石質(zhì)材料、鈦酸鋁質(zhì)材料等。由于凈水器濾芯只在常溫下使用，從生產(chǎn)難度及成本方面考慮，決定采用硅藻土、石英和氧化鋁混合物作為基體材料，進(jìn)行生產(chǎn)試制。硅藻土來源廣泛、價(jià)格低廉，本身就具有大量的微孔，是制備多孔陶瓷的新型原料，可以獲得孔徑小、孔徑分布窄的多孔陶瓷。但硅藻土純度不高，燒成收縮較難控制，故單獨(dú)使用硅藻土作為基體材料難度較大，而單獨(dú)用石英作為基體材料則由于石英在燒成過程中有晶形轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致制品具有較大的體積變化，給燒制帶來較大的困難，所以適當(dāng)降低了石英及硅藻土的用量，在配方中使用一定量的氧化鋁粉作為基體材料，能取得較好的效果。

凈水器濾芯要求在足夠高的過濾精度的前提下，有盡可能大的過濾速度，因此多孔陶瓷濾芯在制備過程中需要加入一定量的造孔劑，坯料的粒度級配要合理，以保證濾芯具有較高的氣孔率。經(jīng)過一系列的篩選試驗(yàn)，最終確定用來源比較廣泛，價(jià)格比較低廉的木炭粉、貝殼粉作為造孔劑，使用大同土、紫木節(jié)等粘土作為粘合劑及高溫粘結(jié)劑來進(jìn)行多孔陶瓷濾芯的試制。

2.2原料預(yù)處理及坯體配方的組成試驗(yàn)

確定了制備工藝后，從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)對使用的原料進(jìn)行預(yù)先加工處理，具體內(nèi)容如下。

（1） 硅藻土：采購粉體粒徑小于600目的細(xì)粉；

（2） 木炭粉：粉碎后過120目篩；

（3） 貝殼粉：粉碎后過60目篩；

（4） 大同土：破碎后要求過30目篩；

（5） 石英及氧化鋁粉：要求通過80目篩。

原料經(jīng)過處理后，按一定的配比進(jìn)行配方，同時(shí)對各個配方的性能進(jìn)行測試，比較在相同加工條件下，各個坯料的吸水率、抗折強(qiáng)度、過濾速度、除菌率等各項(xiàng)指標(biāo)，從中優(yōu)選泥漿性能好，各項(xiàng)指標(biāo)符合要求的配方組合。然后經(jīng)過一系列的配方優(yōu)化，最終確定了以下配方組成范圍為(wt%)：木炭粉10%~15%、貝殼粉20%~30%、硅藻土15%~25%、大同土10%~15、紫木節(jié)10%~20%、石英10%~15%、氧化鋁粉15%~20%。

2.3工藝流程及主要參數(shù)

多孔陶瓷質(zhì)凈水器濾芯的主要工藝流程圖，如圖1所示。

其主要的工藝參數(shù)如下：

（1） 球磨：其中料∶球∶水=1∶2∶1；

（2） 泥漿細(xì)度：325目篩余≤0.5%；

（3） 泥漿陳腐時(shí)間：24h；

（4） 成形：石膏模型中注漿成形；

（5） 烘干：在50℃下緩慢干燥，干坯殘余水分＜0.5%，干坯抗折強(qiáng)度應(yīng)<1MPa；

（6） 燒成：由于配方中含有較多的木炭粉、貝殼粉等，在燒成過程中集中排出。因此在此階段升溫必須十分緩慢，以免造成坯體的開裂、黑心等缺陷。經(jīng)過試驗(yàn)，較好的燒成制度為：0~500℃，3h；500~800℃，4h；800~1000℃，4h；1000~1150℃，2h。

2.4試驗(yàn)產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)

多孔陶瓷質(zhì)凈水器濾芯的主要技術(shù)指標(biāo)滿足以下條件：

（1） 過濾速度：35~45mL/min（Φ150 mm 盤狀試樣,△P=200 mm H2O）；

（2） 細(xì)菌去除率：＞98%；

（3） 抗折強(qiáng)度：＞9MPa；

（4） 吸水率：50%±2%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1不同泥漿加工細(xì)度對產(chǎn)品性能的影響

將不同細(xì)度的泥漿注成統(tǒng)一規(guī)格的濾芯，在同一燒成制度下燒成，對試樣的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行檢測，其檢測結(jié)果見表2。

由表2可知，隨著篩余量的增加，過濾速度加快，除菌率逐步下降。同時(shí)，試樣結(jié)構(gòu)趨于疏松，易出現(xiàn)掉粉等問題。為了保證產(chǎn)品具有較高的除菌率，球磨后泥漿的細(xì)度宜控制在325目篩余＜0.5%。

3.2不同燒結(jié)溫度對試樣性能的影響

將同一批成形的坯體，置于不同的燒成溫度下進(jìn)行燒成，對主要性能進(jìn)行測試，其測試結(jié)果見表3。同時(shí)將燒結(jié)的試樣委托山東大學(xué)用掃描電鏡進(jìn)行顯微形貌分析，放大倍數(shù)為500倍，其SEM掃描圖見圖2。

由表3可知，隨著燒成溫度的提升，制品的過濾速度加快，抗折強(qiáng)度增加，但同時(shí)除菌率卻有所下降。由于坯體強(qiáng)度太高不利于對濾芯的后期加工，因此選擇燒成溫度為1150℃左右進(jìn)行產(chǎn)品試制較佳，此時(shí)濾芯具有較高的坯體強(qiáng)度和較高的細(xì)菌去除率，過濾速度也能滿足使用要求。

由圖2可知，當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1100℃時(shí)，樣品結(jié)構(gòu)呈網(wǎng)絡(luò)狀，此時(shí)孔洞看起來還不是很均勻，大孔是由石英顆粒、氧化鋁顆粒和硅藻土管狀顆粒之間的孔洞組成，小孔則是由成孔劑顆粒燒失后殘存的孔洞構(gòu)成，這些孔洞相互連通，組成了有機(jī)整體。當(dāng)燒結(jié)溫度提高到1150℃時(shí)，樣品的孔洞大小變得更均勻，網(wǎng)絡(luò)狀的整體現(xiàn)象更為明顯。這是因?yàn)殡S著溫度的提高，由于小孔的表面能高，燒結(jié)活性大，在燒結(jié)過程中部分小孔被熔融，小孔的消失使得孔徑變得相對均勻。當(dāng)燒結(jié)溫度提高到1200℃時(shí)，更多的小孔消失，留下的只有較大的孔徑，容易造成樣品除菌率的下降。因此，根據(jù)樣品的微觀結(jié)構(gòu)形貌來分析，選擇1150℃左右進(jìn)行燒成較為合適，此時(shí)樣品的孔徑結(jié)構(gòu)相對均勻，除菌率也能達(dá)到較高的水平，且產(chǎn)品具有較高的強(qiáng)度，有利于后期的加工和使用。

4 結(jié) 論

本研究通過利用石英、硅藻土、氧化鋁粉混合使用作為基體材料，以木炭粉、貝殼粉作為成孔劑，粘土作為粘合劑和高溫粘結(jié)劑，通過對料漿細(xì)度和燒成溫度的控制，成功試制了凈水器所用多孔陶瓷質(zhì)濾芯，產(chǎn)品經(jīng)過客戶的檢測，各項(xiàng)性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該產(chǎn)品具有工藝簡單、成本低廉、容易再生等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的市場前景。

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