多孔陶瓷在環境治理中的應用研究*

孫海俠 李元星 李 瓊 徐 飛

(湖南有色冶金勞動保護研究院 長沙 410014)

前言

伴隨著工業化發展，社會經濟取得了可觀的進步，但環境問題也呈現出日益嚴重的態勢，如固體廢棄物污染、水污染、大氣污染及噪聲污染，這些環境污染對人們身心健康造成極大的危害，因此對這些污染的預防與治理已成為我們面臨和必須解決的重大問題。

多孔陶瓷作為一種綠色、新型、多功能環保材料應運而生，該材料結合了多孔材料和陶瓷材料二者特性，具有以下優異特性[1-6]：(1)高孔隙率，可達20%～95%，且通過調節制備工藝可控制孔徑大小及分布；(2)體積密度小，具有較高的比表面積及特有的表面結構；(3)強度高、剛性大，在外界沖擊下不易造成外形及孔結構變化；(4)化學穩定性好，可耐酸耐堿，不與其他物質發生化學反應而造成二次污染；(5)熱穩定性高，不易出現氧化、變形等現象，工作溫度可達1 000 ℃；(6)自身干凈程度高，安全、無有毒有害物質，不會產生二次污染，不易脫落，使用壽命長；(7)再生性強，通過液體或氣體反吹或通過高溫燒結可基本恢復原有的功能。可廣泛應用于環保、冶金、能源、化工與生物等領域。

多孔陶瓷常用的制備工藝有如下幾種[7-11]：

(1)有機泡沫浸漬工藝。該工藝是以有機泡沫為模板(常用聚氨酯有機泡沫)，浸漬到陶瓷漿料中，然后采用擠壓方式去除多余的漿料，通過冷凍干燥、高溫燒除有機泡沫模板，經過高溫陶瓷燒結獲得多孔陶瓷材料的一種方法。該方法特別之處在于制備出的開孔多孔陶瓷其空隙率及孔結構基本與使用的有機泡沫前驅體三維網狀結構骨架一致，該方法適合制備高氣孔率、開口氣孔的多孔陶瓷材料，且工藝簡單，設備操作方便，但此方法制備的陶瓷坯體強度不高，且孔結構多為閉孔。

(2)添加造孔劑工藝。該工藝是在陶瓷漿料中混入一定的造孔劑，如：揮發性或可燃性物質，如：碳酸鹽、碳粉、谷物、木屑等，這些造孔劑在高溫燒結過程中發生分解、燃燒等化學反應，以氣體形式逸出，在陶瓷基體中留下了孔洞，進而得到多孔陶瓷，且該工藝可通過改變造孔劑的含量、大小來調節材料氣孔率、孔徑大小。該工藝也可與其他工藝結合使用制備形狀復雜、多級孔結構、力學性能較高的陶瓷材料，但孔洞分布均勻性稍差，且為閉孔。

(3)發泡工藝。該工藝是向陶瓷組分中添加發泡劑，如：H2O2、CaCO3、Ca(OH)2等通過攪拌、翻滾或者鼓泡等方式使漿料中產生大量的氣泡，隨后經過固化處理、干燥處理、高溫燒結得到多孔陶瓷，用發泡法制備的多孔陶瓷兼具高開孔率和高力學性能，但缺點是該工藝制備周期長、操作復雜。

(4)溶膠—凝膠工藝。該工藝主要是將引發劑加入到陶瓷漿料中產生聚合反應得到陶瓷坯體，經干燥、燒結，得到多孔陶瓷。該工藝可得到納米級、分布均勻的孔徑，可用來制備微孔陶瓷薄膜材料，但不易制備塊體陶瓷材料。

(5)攪拌發泡-凝膠注模法。該工藝是將陶瓷混合漿料發泡與凝膠注模工藝相結合制備泡沫陶瓷坯體，其空隙率高達90%以上，具高開孔率和高力學性能，可實現近凈成形，設備簡單，脫模便捷，可成型復雜形狀的成品，因而受業界關注，然而由于常規的氧化-還原凝膠體系成型過程難以控制、氧阻凝以及單體毒性較強等原因工業化推廣受到限制。

多孔陶瓷以其較高孔隙率和巨大的比表面積使其在環境治理方向具有廣闊的應用前景，已引起全球材料學科的重視。

2 多孔陶瓷在環境治理中的應用

2.1 在固廢治理中的應用

隨著礦產、冶金、能源等重工業的發展，資源節約與環境保護是當今人類社會所面臨的兩大難題。“中華人民共和國固體廢棄物污染環境防治法”從2005年4月起開始施行，規定了固廢防治以“減量化、資源化和無害化”為原則[11]。固廢的二次利用，有助于資源可持續發展。工業生產中會產生大量的固廢，常見的有粉煤灰、赤泥、硼泥、爐渣、尾礦、陶瓷廢料及污水處理廠的污泥、河道污泥等[12、13]。這些固廢堆存需占用大量的土地，如果單純的掩埋或堆放處理，勢必會影響當地的水源和土壤。研究發現，許多工業廢料中都含有如Al、Si、Mg、Ca系化合物，而這些化合物又是常用的陶瓷生產原料，可以用來制備多孔陶瓷等材料，這一應用方向為工業廢渣的回收處理和環境保護提供了新的想法。

周洋[14]等以北京首云礦業集團公司鐵礦石開采產生的尾礦為主要原料，采用攪拌發泡—凝膠注模、常壓高溫燒結工藝制備多孔陶瓷，通過研究粉塵過濾效果，得出多孔陶瓷在1 m/min的風速下氣孔率分別為80.8%和84.9%的情況下，過濾阻力分別為174.39 Pa和169.49 Pa，過濾效率均高達99%。該制備工藝簡單，成本低廉，可規模化生產，可將其應用在工業廢氣除塵領域。這樣既能夠實現尾礦資源再利用，同時又能夠減少工業廢氣中有機污染物的排放，有利于改善和保護生態環境。

李玉香[15]等以電解錳渣、偏高嶺土和廢玻璃為原料制備出多孔陶瓷，通過研究燒結工藝對多孔陶瓷結構性能的影響，表明：燒結溫度1 020 ℃，保溫時間45 min時多孔陶瓷的綜合性能最好，抗壓強度達3.9 MPa，氣孔率達77.2%，導熱系數為0.052 W/(m·K)，可用于外墻保溫材料，為固廢資源化提供了一條新途徑。

2.2 在廢水治理中的應用

隨著工業的不斷發展，產生中產生大量的廢水，不僅是水資源的浪費，而且對環境造成很大的破壞害，嚴重危害到人類日常生活，因此，我國廢水處理問題亟待解決。多孔陶瓷材料因其孔隙率較高，比表面積較大，耐高溫、耐磨損、耐化學腐蝕、機械強度高以及再生性強等優點，是較好的過濾、分離元件，可應用于水的凈化處理，如吸附、過濾水中金屬離子、有機污染物等。其過濾機理主要為：慣性沖撞、擴散和截留，廢水流經多孔陶瓷，粒徑超過陶瓷孔徑的粒子被截留在陶瓷表面，形成濾餅層，其余雜質粒子則通過慣性碰撞在陶瓷孔道壁被捕捉，或者受到布朗運動的影響擴散、粘滯在孔道處。

馬非[16]等以易獲得、價格低的粘土為原料，聯用造孔劑添加法、顆粒堆積法兩種方法制備多孔陶瓷，探索了多孔陶瓷對Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+等重金屬離子的吸附能力和過濾機理，為多孔陶瓷處理重水污染提供實驗基礎和理論依據。

李林[17]等采用反應燒結方法制備了SRBSN陶瓷膜，并用于含油廢水的分離處理，研究表明SRBSN多孔陶瓷膜具有較高的膜通量及良好的過濾效果。

2.3 在廢氣治理中的應用

在化工、石油、電力等行業中，煤炭等化石燃料的使用產生大量高溫含塵有毒氣體，如氮氧化物、二氧化硫等，這些有毒氣體對生態環境及人們的健康生活帶來嚴重負面影響。多孔陶瓷機械性能高、熱穩定性強、耐酸堿腐蝕性好、無污染、比表面積大、可以加工成形等優點，可作為催化劑載體及高溫煙氣凈化除塵裝置。多孔陶瓷比表面積較大、吸附性能和活性良好，可作為載體應用在汽車尾氣處理器中，并且隨著多孔陶瓷附著的催化劑有效接觸面積的增大，催化反應速率以及有毒氣體轉換效率也隨之提高。多孔陶瓷還可作為除塵凈化裝置在冶金、化工、能源等領域中都有廣泛應用，這些行業排放的煙塵具有溫度高、氣體腐蝕性強等特點，常規的氣固分離除塵設備無法滿足企業需求，如濕法除塵不僅不能綜合利用余熱，還造成二次污染；布袋除塵耐高溫性能不高；靜電除塵存在儀器價格昂貴、占用空間大等方面的問題。目前，在高溫煙氣處理方面，大部分企業首先采用水冷方式降低高溫煙塵溫度，然后再使用布袋除塵器清除煙塵顆粒，但是這種方法增加了冷凝設備的采購和運行成本，也流失了大量的熱能。與目前大部分高溫除塵方式相比，采用多孔陶瓷凈化高溫煙氣不僅除塵效率更高，并且能夠過濾煙氣中的有害物質，是高溫煙氣除塵凈化的優異解決方案。

袁章福[18]等以SiC、Al2O3等為主要原料，制成非對稱陶瓷復合膜管，研究了煙塵過濾時滲透率、阻力之間的關系，結果表明制備的非對稱陶瓷管復膜具有較好的滲透性和較低的過濾阻力，煙塵過濾效率達98%以上，可作為氣固分離過濾器材料，應用到高溫煙氣中進行除塵和凈化。

2.4 在噪聲治理中的應用

噪聲是常見的環境污染現象之一，隨著工業化和城鎮化的迅速發展，噪聲污染日趨嚴重，嚴重影響人們正常的工作、學習和生活，因此研究吸音降噪解決方案也是社會發展的重要需求之一。多孔陶瓷材料內部有眾多互相貫通的微小孔洞，當聲波通過空氣介質傳播到多孔陶瓷表面時，部分聲波被多孔陶瓷孔洞表面反射散開，其余聲波傳入到多孔陶瓷微小孔洞中，聲波在微小孔洞傳播過程中，會引起空氣運動，與孔洞表面產生摩擦，將聲能轉變為熱能，從而達到吸音降噪的目的[19.20]。故可將其作為吸聲材料用在地鐵、隧道、高架橋、影院等對隔音要求較高的場合，將會取得較好的效果。

冼志勇[21]等以污染環境嚴重的陶瓷拋光磚廢料為主要原料，經過燒結工藝，成功制備出能夠在眾多噪聲污染嚴重的環境中應用的吸聲材料，其成本較低，且吸聲系數大于0.2。

3 結語

多孔陶瓷以其優越的結構與性能，在環境污染治理方面具有較大應用前景。多孔陶瓷在社會上的應用領域越來越廣，用戶對于多孔陶瓷產品的性能指標也逐漸提高，多孔陶瓷的社會應用研究中依然存在很多難題亟待解決，總結來看主要難點有以下幾點：

1.建立控制多孔陶瓷制品的孔徑形狀、大小、分布等結構特征的準確、有效方法；

2.提高多孔陶瓷制品強度，并建立陶瓷制品孔結構特征與其力學性能相對應的參數模型；

3.進一步研究陶瓷表面修飾及復合制備工藝，研發制備具有多功能的陶瓷材料，提高多孔陶瓷制品的應用價值；

4.改善生產工藝、生產設備，降低制備成本，提高生產效率，使其向規模化、產業化發展。

隨著國內外眾多學者的不斷研究與探索，相信多孔陶瓷材料研究難題將會被逐一突破，多孔陶瓷材料也將會被應用于越來越多的領域，展現其更多的應用價值。