陶瓷廢料制備多孔陶瓷填料的探索

梁昌金 林少敏 劉桂文

摘 要：隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，陶瓷和電鍍行業(yè)各自面臨著重要的污染問(wèn)題。以陶瓷廢料為原料制備多孔陶瓷用作電鍍廢水處理的填料，是解決兩大行業(yè)污染問(wèn)題的有利途徑。從實(shí)驗(yàn)室角度出發(fā)，利用不同制備方法的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，獲得了氣孔率、吸附率、抗壓和抗腐蝕強(qiáng)度都比較好的多孔陶瓷，可用作后續(xù)電鍍廢水處理填料的備選材料。

關(guān)鍵詞：陶瓷廢料;電鍍廢水;多孔陶瓷;吸附劑

1 前 言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，我國(guó)陶瓷產(chǎn)量已占世界陶瓷總產(chǎn)量的65%以上。但是在陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中，從原料處理、混料、球磨到坯體制備、燒成、干燥等全過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生廢料。此外，還有各種廢棄的建筑陶瓷用品、日用生活陶瓷、專用陶瓷的廢料等[1]。這些廢料通常采用簡(jiǎn)單的填埋方式進(jìn)行處理和處置，不僅占地面積大，而且不可避免地導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染。顯然，回收陶瓷廢料有助于節(jié)約資源和解決問(wèn)題[2，3]。通過(guò)添加造孔劑，陶瓷廢料做原料可以生產(chǎn)多孔陶瓷，用于輕質(zhì)建材，或吸附和過(guò)濾材料是一種比較環(huán)保的回收利用方式[4]。

電鍍行業(yè)既為我國(guó)的重要工業(yè)也是高污染行業(yè)。電鍍廢水污染嚴(yán)重，其中含有鉛、鉻、鎘等有毒或有害的重金屬，處理難度大[5]。廢水中的鉻有三價(jià)和六價(jià)兩種，三價(jià)鉻毒性相對(duì)來(lái)說(shuō)較低，可以以氫氧物的狀態(tài)沉淀;六價(jià)鉻的毒性強(qiáng)，是三價(jià)鉻的百倍。Cr3+與Cr6+可以在一定條件下轉(zhuǎn)化，Cr6+會(huì)直接造成環(huán)境污染，因此Cr3+對(duì)環(huán)境具有隱性威脅[6，7]。電鍍廢水中重金屬的處理方法主要有化學(xué)沉淀法、離子交換法、吸附法、膜分離法、電化學(xué)法、生物法等，其中吸附法操作簡(jiǎn)單、成本低，對(duì)污染物質(zhì)的選擇性小，是一種常用的方法[8]。本文從實(shí)驗(yàn)室角度出發(fā)，研究使用陶瓷廢料為原料，以稻殼粉末為造孔劑，制備多孔陶瓷，用于吸附模擬電鍍廢水中的Cr3+。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1實(shí)驗(yàn)材料

陶瓷廢料：取自楓溪某日用陶瓷廠，用來(lái)增加強(qiáng)度;

素?zé)昂蟮恼惩翉U料：取自學(xué)校拉坯室素?zé)昂蟮奶漳鄰U料，用來(lái)增加可塑性;

廢玻璃：取自某玻璃制品加工商的碎玻璃，用來(lái)增加粘結(jié)性;

稻殼：取自某稻米加工廠，粉碎后作造孔劑。

2.2 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.3多孔陶瓷的制備

將陶瓷廢料、素?zé)昂蟮恼惩翉U料、廢玻璃及稻殼按不同比例混合后用粉碎機(jī)粉碎，過(guò)100目的標(biāo)準(zhǔn)篩。粉末充分混合后加水做成泥料，控制含水率在60%-70%。為保證燒成充分及后期易破碎，用蜂窩制樣器壓制成蜂窩狀坯體（如圖1a所示）。坯體在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘干后放入窯爐按照一定的燒成曲線燒制成型（如圖1b所示）。

為提高實(shí)驗(yàn)效率，快速找到不同配方及燒制條件對(duì)多孔陶瓷性能的影響，采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，考察造孔劑含量、粘結(jié)劑含量、燒成溫度及保溫時(shí)間四個(gè)影響因素，每個(gè)因素取3個(gè)不同水平，設(shè)計(jì)成4因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)。具體設(shè)計(jì)如下表所示：

2.4 多孔陶瓷的性能測(cè)試

另取上述不同配方的泥料壓制成試塊，按照相同的燒成曲線燒制成型。用真空吸水率儀測(cè)其孔隙率，用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)其抗壓強(qiáng)度，用掃描電鏡觀察顆粒形貌，并對(duì)吸附效果最好的一組做耐腐蝕實(shí)驗(yàn)。

2.5吸附實(shí)驗(yàn)

采用顎式破碎機(jī)將燒好的多孔陶瓷破碎后選取20-40目之間的顆粒用去離子水沖洗，洗掉表面粘附的粉末后105℃烘干做Cr（III）的吸附實(shí)驗(yàn)。

取5g顆粒放入100mL錐形瓶中，加入50mL濃度為10mg/L，pH為7.5的Cr（III）溶液，然后將錐形瓶封口放入恒溫水浴振蕩器中，25℃，150r/min震蕩吸附24h后離心取上清液過(guò)0.45μm濾膜，用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定上清液中Cr（III）的濃度，按以下公式計(jì)算吸附率：

吸附率=×100%? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?⑴

式中：C0—溶液中Cr（III）的初始濃度，mg/L;C—吸附后上清液中Cr（III）的濃度，mg/L。

3結(jié)果與討論

3.1 不同配方對(duì)氣孔率、抗壓強(qiáng)度及吸附率的影響

不同制備條件下多孔陶瓷的各種性能測(cè)試結(jié)果如表3。

氣孔率是陶瓷材料致密程度的表征。普通陶瓷需要?dú)饪茁试降驮胶?，而本?shí)驗(yàn)制備的多孔陶瓷完全相反，是需要?dú)饪茁试礁咴胶?，氣孔率越高，則比表面積越大，表面能越高，吸附效果越好。由表3可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)8的氣孔率是36.14%，此時(shí)的造孔劑用量為15%，粘結(jié)劑的用量為10%，燒成溫度為1000℃，保溫時(shí)間為90min。由極差R可知，造孔劑的用量對(duì)氣孔率的影響效果最明顯。

抗壓強(qiáng)度是指多孔陶瓷在原始狀態(tài)不受損傷時(shí)所能承受的最大壓力。測(cè)試多孔陶瓷的抗壓強(qiáng)度是后續(xù)其做污水處理填料的重要指標(biāo)。由表3可知，實(shí)驗(yàn)5樣品的抗壓強(qiáng)度為34.1 MPa，造孔劑的用量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響顯著。多孔陶瓷最主要的破壞不是塑性形變，而是脆性裂紋形變。綜合比較，各實(shí)驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度差別不大，結(jié)構(gòu)相對(duì)堅(jiān)固，滿足作為污水處理填料的要求。

通過(guò)模擬電鍍廢水中Cr（III）的吸附可以看出，氣孔率的多少直接影響著吸附效果?？梢?jiàn)多孔陶瓷對(duì)Cr（III）的吸附主要屬于物理吸附，且吸附效果一般，后續(xù)如做電鍍廢水填料吸附劑使用，需通過(guò)提高孔隙率或改性來(lái)提高其吸附性能。

3.2 耐腐蝕性

電鍍廢水的種類很多，其中的酸洗廢水的pH在2以下[5]。因此，要求廢水處理填料要有一定的耐腐蝕性。由正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)8的孔隙率及吸附效果最好，且抗壓強(qiáng)度較高，擬作后續(xù)應(yīng)用，因此選取實(shí)驗(yàn)8所得的樣品做酸堿耐腐蝕實(shí)驗(yàn)。將樣品放在百分之二十的硫酸溶液（或百分之一的氫氧化鈉溶液）中煮沸60min，重量比腐蝕前重量減少的百分比率，就是這個(gè)樣品的耐酸腐蝕重量損失率。具體測(cè)試結(jié)果如表4。

從對(duì)實(shí)驗(yàn)8所得樣品的耐腐蝕性試驗(yàn)結(jié)果可以看出，樣品重量損失很小，低于2%，可能是由樣品中一些粉末顆粒及不穩(wěn)定的化學(xué)物質(zhì)引起，但總體來(lái)說(shuō)耐腐蝕性良好。

3.3 SEM分析

選取吸附效果好的3個(gè)樣品（實(shí)驗(yàn)7、8、9）進(jìn)行了簡(jiǎn)單的SEM形貌測(cè)試。

從圖2可見(jiàn)，1000℃時(shí)得到的氣孔分布較好。1200℃時(shí)得到的氣孔最少，這是因?yàn)楦邷責(zé)Y(jié)時(shí)，溫度達(dá)到了部分組分的熔點(diǎn)，熔融形成玻璃相，填充了有機(jī)物燒失后留下的氣孔，堵塞微孔，同時(shí)也使宏孔變小，從而導(dǎo)致氣孔率下降。因此，除造孔劑外，燒成溫度也是影響吸附率的一個(gè)重要因素。

4結(jié)論

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)8，即：造孔劑用量為15%，粘結(jié)劑的用量為10%，燒成溫度為1000℃，保溫時(shí)間為90min，燒制的多孔陶瓷樣品孔隙率和吸附率都比較高，配方中造孔劑的含量對(duì)二者的影響比較顯著。SEM圖片顯示，燒制溫度對(duì)氣孔分布也有較大的影響。經(jīng)抗壓和耐腐蝕測(cè)試顯示有較好的耐壓強(qiáng)度和抗腐蝕性，適合用作后期的電鍍廢水處理填料。后續(xù)如果能在不影響樣品耐性的條件下，通過(guò)改變完善配方或者改性來(lái)提高氣孔率和吸附效果，所得的多孔陶瓷樣品會(huì)更有工業(yè)使用價(jià)值。

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