體積密度可控的多孔陶瓷濾料的研制

摘要本研究以α-Al₂O₃、硅藻土為主要原料，加入一定量成孔劑、助熔劑，用水做粘結(jié)劑制成有一定可塑性的泥料，手工搓球、干燥后經(jīng)燒成，制備了體積密度可控，性能優(yōu)異的可用于水處理的多孔陶瓷濾料。采用現(xiàn)代測(cè)試方法測(cè)定了樣品理化性能，觀察分析了樣品的顯微結(jié)構(gòu)，并探討了影響多孔陶瓷濾料孔特性和體積密度的諸因素。

關(guān)鍵詞硅藻土，α-Al₂O₃，多孔陶瓷濾料，體積密度可控

1引言

硅藻土物理化學(xué)性能穩(wěn)定、無毒，能形成高度滲透性的過濾層，故能截留各種雜質(zhì)微粒，使濾液達(dá)到高度澄清。硅藻土助濾劑被廣泛應(yīng)用于糖漿、蜂蜜、啤酒、果露等各種飲料以及動(dòng)植物油脂、石油、化纖溶液、生物制藥、城市用水等工業(yè)領(lǐng)域。由于硅藻土的種類繁多和多孔特性，使其制品具有其它過濾介質(zhì)所沒有的過濾性能與吸附性質(zhì)[1]。硅藻土在低溫煅燒時(shí)孔結(jié)構(gòu)保持完好，因此以硅藻土為基質(zhì)，采用低溫?zé)Y(jié)和加入添加劑的方法，可使原有氣孔保留下來而形成多孔陶瓷。采用這種方法可以制得孔徑非常小、分布均勻、成本低的多孔陶瓷。改變成分可調(diào)節(jié)濾料密度，采用兩層不同容重濾料過濾，是當(dāng)前國內(nèi)外普遍應(yīng)用的過濾技術(shù)。由于兩種濾料的體積密度差，在一定的反沖洗強(qiáng)度下，輕質(zhì)濾料仍在上層，而重質(zhì)濾料在下層[2～3]，這樣雙層濾料與單層濾料相比，在相同壓力下，過濾周期縮短，濾速提高[4]。

本研究以α-Al₂O₃、硅藻土為主要原料，用手工成球方法制備體積密度可控的多孔陶瓷濾料。

2實(shí)驗(yàn)部分

以α-Al₂O₃、 星子高嶺土、硅藻土、澳大利亞鋰輝石（陶瓷級(jí)）、桂廣滑石、鈉長石、鉀長石、霞石正長石、石灰石、白云石和煤粉及石墨（工業(yè)純）為原料，原料的化學(xué)組成如表1所示，共設(shè)計(jì)了C、D及H共3個(gè)系列的樣品配方，典型的配方組成如表2所示。

按配方準(zhǔn)確配料，將球磨混合好的坯料，以水作為粘結(jié)劑制成有一定可塑性的泥料，然后手工搓成直徑5～10mm左右的小球。根據(jù)差熱曲線制定燒成制度，以5℃/min的升溫速率在硅鉬棒爐中燒成，在合適溫度下保溫，其中最高溫度下保溫1h，用靜力稱重法測(cè)定樣品吸水率Wa、氣孔率Pa及體積密度D，用日本產(chǎn)JSM-5610LV掃描電鏡觀察樣品顯微結(jié)構(gòu)。

3分析討論

3.1 氧化鋁含量對(duì)樣品體積密度的影響

根據(jù)差熱分析確定各樣品的燒成制度及燒成溫度范圍，在燒成溫度范圍內(nèi)每隔10℃燒成樣品，測(cè)定樣品的Wa、Pa及D值和抗壓強(qiáng)度，綜合這些參數(shù)確定各樣品的最佳燒成溫度。樣品C1、C2、C3、C4、C5的最佳燒成燒成溫度分別是1 350℃、1 270℃、1 250℃、1 220℃和1 200℃。氧化鋁的含量增多，樣品的最佳燒成溫度提高，達(dá)最佳燒成溫度時(shí)，其體積密度越大。

3.2 硅藻土含量對(duì)樣品體積密度的影響

圖1表明，樣品氣孔率隨著硅藻土含量的增加而增大，而體積密度減小。樣品D5、D6、D7硅藻土含量分別為30%、40%和50%，與之對(duì)應(yīng)的體積密度分別為1.433g/cm³、1.295g/cm³和1.208g/cm³。這是因?yàn)楣柙逋潦且环N由許多極小的水生有機(jī)體的硅質(zhì)殘骸組成的沉積巖，主要成分為無定形SiO₂，具有大量微孔。這就使其在沒有添加成孔劑的條件下，仍有較高的氣孔率和較小的體積密度，有利于制備輕質(zhì)的多孔陶瓷濾料[5]。從圖2可以看出在一定的燒成溫度下仍有部分硅藻土保留了其圓盤多孔狀，并且孔的形狀也很規(guī)則。利用硅藻土的這個(gè)特性，通過改變其添加量可以制備出氣孔尺寸可控的樣品[6]。

圖1樣品D5、D6、D7的Wa、Pa、D圖

3.3 成孔劑種類和含量對(duì)樣品體積密度的影響

對(duì)比幾組樣品發(fā)現(xiàn)，石墨的添加量比煤粉的添加量少，但是添加石墨的試樣的氣孔率卻比添加煤粉的大，體積密度比添加煤粉的小，說明石墨能有效增大氣孔率、降低體積密度。這是因?yàn)槊悍凼堑蜏爻煽讋?00℃左右開始燃燒，到600℃就已經(jīng)燃盡，從而留下氣孔，但是隨溫度的升高，物料開始反應(yīng)，生成液相后，這些氣孔有一部分會(huì)被液相填充而封閉，導(dǎo)致氣孔率降低；而石墨是高溫成孔劑，它在800℃開始燃燒，到1000℃才基本燃盡[7]，這個(gè)溫度與燒成溫度接近，所以被液相填充的氣孔量遠(yuǎn)少于添加煤粉的樣品，使其氣孔率較高。從體積密度測(cè)試結(jié)果來看，樣品的體積密度大約分布在0.7g/cm³、1.0g/cm³、1.5～1.7g/cm³、2.0g/cm³以上幾個(gè)范圍，這對(duì)于雙層濾料濾池的反沖洗是十分有利的。以上分析說明了通過改變成孔劑及其添加量，可以有效控制樣品的氣孔率和體積密度。

3.4 燒成溫度和保溫時(shí)間對(duì)樣品體積密度的影響

在不同的燒成溫度下制備的同組成樣品，在燒成溫度分別為900℃、950℃、1000℃、和1050℃時(shí)，體積密度分別為0.623g/cm³、0.731g/cm³、0.739g/cm³、0.751g/cm³。從結(jié)果看，體積密度隨著溫度升高而增大。由于燒成溫度升高，物料之間反應(yīng)生成更多液相，填充到低溫下形成的氣孔中，并且液相的浸潤使得樣品的收縮量增大，從而使得樣品結(jié)構(gòu)致密化，氣孔量大大減少，氣孔率降低，體積密度增大。

保溫時(shí)間對(duì)樣品的體積密度也是有影響的。保溫時(shí)間從1h延長到3h，體積密度從2.102g/cm³增大到2.313 g/cm³，體積密度隨保溫時(shí)間的延長而增加。隨著保溫時(shí)間的增加，氣孔率降低，體積密度增大。這是由于保溫時(shí)間延長，物料反應(yīng)更加完全，液相量增多，樣品的收縮變大，氣孔的孔徑變小，因此氣孔所占空間變小，導(dǎo)致氣孔率下降，從而體積密度增大。

3.5 硅藻土的高溫性能

圖2是在1100℃下燒成的樣品D7的SEM圖。圖中仍可以看到硅藻土的圓盤狀或管狀多孔的原形，又明顯地看到大量由于燒結(jié)程度較高而被離散的硅藻土顆粒，形狀極不規(guī)則。大量的硅藻土微孔則仍然存在于樣品中，由于沒有加入成孔劑，所以除了硅藻土微孔外，其它氣孔是由硅藻土顆粒堆積形成的。

圖2 樣品D7的斷面SEM形貌圖（1100℃，1h燒成）

圖3樣品H1的斷面SEM形貌圖（1170℃，1h燒成）

圖3 是在1170℃燒成的樣品H1的SEM圖。圖中看不到硅藻土的原形，說明硅藻土已經(jīng)大量熔融成液相。部分尚未熔融的硅藻土也由于燒結(jié)程度提高而使原有結(jié)構(gòu)被破壞，形成一些離散的細(xì)小硅藻土顆粒。少量硅藻土原料中的微孔仍然存在，多數(shù)已經(jīng)被液相封閉。樣品中含有大量的孔徑大約為幾十微米的大氣孔，這是煤粉燃燒后留下的。

4結(jié)論

（1） 通過控制成孔劑種類、加入量、燒成溫度、保溫時(shí)間，可以控制樣品的體積密度、抗壓強(qiáng)度等性能，以適應(yīng)不同的使用要求，從而拓展多孔陶瓷濾料應(yīng)用途徑及范圍。

（2） 燒成溫度從900℃升高到1050℃，樣品的體積密度從0.623g/cm³增大到0.751g/cm³，說明樣品的體積密度隨燒成溫度的升高而增大；保溫時(shí)間從1h延長到3h，體積密度從2.102g/cm³增大到2.313g/cm³，體積密度隨保溫時(shí)間延長而增加。

（3） 硅藻土含量從30%提高到50%，氣孔率從56.37%增加到59.84%，體積密度從1.433g/cm³減少到1.208g/cm³，可見增加配方中硅藻土的含量可以有效提高氣孔率，降低體積密度。

（4） 添加40%石墨為成孔劑的樣品，氣孔率比添加50%煤粉為成孔劑的樣品氣孔率高、體積密度小，可見石墨的成孔效果比煤粉好，能很好地提高氣孔率、降低體積密度，但成本比煤粉高。

（5） SEM分析表明，樣品中含有大量三維網(wǎng)狀微孔，孔徑在幾十微米范圍內(nèi)。硅藻土在溫度低于1100℃時(shí)，仍有其原型存在，但多數(shù)已經(jīng)變形，有些甚至被破壞，形成離散的硅藻土顆粒。硅藻土在高于1100℃時(shí)，將失去原有形貌，對(duì)降低體積密度貢獻(xiàn)甚微。

參考文獻(xiàn)

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