過濾用粉煤灰多孔陶瓷的制備及其滲透性能

陳 浩 伍子豪 海萬秀 徐照蕓 姜木俊 韓鳳蘭

1）北方民族大學材料科學與工程學院 寧夏銀川750021 2）工業廢棄物循環利用及先進材料國際科技合作基地 寧夏銀川750021

粉煤灰是煤燃燒后的主要廢棄物［1］。粉煤灰的主要成分是氧化硅、氧化鋁、氧化鈣等。許多研究者以粉煤灰為主要原料制備了多孔陶瓷材料［2－6］、多孔陶瓷膜［7－8］、陶粒［9］、保溫材料［10－11］等。但是，目前利用粉煤灰制備多孔陶瓷材料時工業固廢摻量較小。本工作中，以粉煤灰為主要原料，分別以碳粉、電石渣、木質纖維為造孔劑，添加少量的燒結助劑，制備了固廢摻比最高達90%（w）的可用作高溫煙氣、污水等過濾的多孔陶瓷材料。

1 試驗

1.1 試樣制備

粉煤灰來自寧夏某甲醇廠，其化學組成（w）為：SiO241%，Al2O327%，Fe2O310%，CaO 7%，MgO 2%，K2O 1.7%，Na2O 1.1%，TiO20.7%。造孔劑有：碳粉，w（C）＞99%；木質纖維；電石渣，其化學組成（w）為：Ca（OH）275% ～80%，Al2O310% ～12%，Fe2O36%～8%，SiO26%～8%。以高嶺土為增塑劑，其化學組成（w）為：SiO244.7%，Al2O338.2%，TiO23.3%，CaO 10.1%，MgO 2.2%，Na2O 1.6%。以鉀長石為助熔劑，其化學組成（w）為：SiO264.7%，Al2O318.4%，K2O 16.9%。

前期試驗表明，以碳粉和木質纖維作為造孔劑時，成型劑中高嶺土與鉀長石的質量比以1∶5較為適宜，造孔劑與成型劑的質量比以1∶1較為適宜。配方CP40和CP50的設計目的是為了考察在成型劑總量固定為20%（w）的條件下，造孔劑添加量對多孔陶瓷性能的影響，即對比試樣CP20、CP40和CP50的性能。為此設計了表1的試驗配方。

前期試驗還表明，以電石渣為造孔劑時，高嶺土和鉀長石的添加量均以5%（w）較為適宜。為此設計了表2的試驗配方。

按表1和表2配料，在震蕩球磨機中研磨混合60 s后，在100 MPa成型壓力下保壓60 s干壓成型為φ20 mm×（20±1）mm的素坯，以10℃·min－1的升溫速率升溫至1 150℃，保溫1 h后隨爐冷卻至室溫［2－3］。

表1 分別以碳粉和木質纖維為造孔劑的試驗配方Table 1 Formulations using carbon and wood fiber as pore-forming agents

表2 以電石渣為造孔劑的試驗配方Table 2 Formulations carbide slag as pore-forming agents

1.2 性能測試與表征

按照GB／T 1966—1996煮沸法檢測試樣的容重和顯氣孔率；采用泡壓法測量試樣的孔徑及氣體滲透性能。采用X射線衍射儀分析試樣的物相，采用掃描電子顯微鏡觀察試樣的顯微結構。

2 結果與討論

2.1 顯氣孔率和容重

試樣的顯氣孔率和容重隨造孔劑種類和添加量的變化見圖1。

圖1 試樣的顯氣孔率和容重Fig.1 Apparent porosity and density of specimens

由圖1可以看出：1）無論在造孔劑與成型劑的質量比固定為1∶1的條件下，還是在成型劑添加量固定為20%（w）的條件下，隨著碳粉添加量的增加，試樣的顯氣孔率均呈遞增趨勢，容重均呈遞減趨勢；添加50%（w）碳粉試樣的顯氣孔率和容重分別為56.29%和1.10 g·cm－3。2）隨著電石渣添加量的增加，試樣的顯氣孔率逐漸增大，容重逐漸減小；添加50%（w）電石渣試樣的顯氣孔率和容重分別為50.58%和1.26 g·cm－3。3）木質纖維添加量從5%（w）增加至15%（w）時，試樣的顯氣孔率增大，容重減小；木質纖維添加量從15%（w）增加至30%（w）時，試樣的顯氣孔率和容重基本上沒有發生變化；添加15%（w）木質纖維試樣的顯氣孔率和容重分別為48.31%和1.37 g·cm－3。

2.2 平均孔徑和滲透性能

試樣的平均孔徑、氣體滲透率和氮氣通量見表3。由于添加40%（w）和50%（w）電石渣試樣的強度非常小（僅1～3 MPa），在檢測氮氣通量和滲透率時碎裂，因此沒有檢測結果。

表3 試樣的孔徑和滲透性能Table 3 Pore size and permeability properties of specimens

從表3可以看出：1）無論在造孔劑與成型劑的質量比固定為1∶1的條件下，還是在成型劑添加量固定為20%（w）的條件下，隨著碳粉添加量的增加，試樣的孔徑、滲透率和氮氣通量均呈遞增趨勢，添加50%（w）碳粉試樣的平均孔徑、滲透率和氮氣通量分別為6.86μm、825.7 cm3·cm－2·s－1·MPa－1和297.70 m3·m－2·h－1。2）隨著電石渣添加量的增加，試樣的平均孔徑變化很小，滲透率和氮氣通量均呈遞增趨勢，添加30%（w）電石渣試樣的平均孔徑、滲透率和氮氣通量分別為0.18μm、169.6 cm3·cm－2·s－1·MPa－1和117.01 m3·m－2·h－1。3）隨著木質纖維添加量的增加，試樣的平均孔徑呈先增大后減小的變化趨勢，添加15%（w）木質纖維試樣的平均孔徑達到最大值1.50μm；氣體滲透率和氮氣通量的變化均無明顯規律。

2.3 物相組成

試樣的XRD圖譜見圖2。從以上數據可知，WF系列試樣的性能可調性較差，因此在XRD分析和后面SEM分析中不再考慮。

圖2 試樣的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of specimens

從圖2（a）可以看出：試樣CP05和CP10的主要物相為石英和鈣長石，試樣CP30和CP50中除石英和鈣長石外還出現了新相CaSiO3；試樣CP50中鈣長石含量增加。從圖2（b）可以看出：試樣CS00的主要的物相為石英和鈣長石；試樣CS10中除石英和鈣長石外還出現了CaSiO3，并且鈣長石含量增加；試樣CS30的主要物相轉變為鈣鋁黃長石（Ca2Al2SiO7），石英和鈣長石含量降低；試樣CS50中鈣長石相消失。電石渣中含有75% ～80%（w）的Ca（OH）2；隨著電石渣添加量的增加，反應生成的CaSiO3和Ca2Al2SiO7增多［3］。

2.4 顯微結構

顯氣孔率最大的添加50%（w）碳粉試樣的斷面SEM照片見圖3。可以看出，試樣燒結較好，孔隙較多，并且孔隙多呈三維貫通狀態。

圖3 添加50%（w）碳粉制備的多孔陶瓷的SEM照片Fig.3 SEM image of porous ceramics prepared with 50%carbon

顯氣孔率最大的添加50%（w）電石渣試樣的斷面SEM照片見圖4。可以看出：試樣斷面粗糙，燒結較差；氣孔分布較均勻，孔徑≤2μm。

圖4 添加50%（w）電石渣制備的多孔陶瓷的SEM照片Fig.4 SEM images of porous ceramics prepared with 50%carbide slag

3 結論

（1）隨碳粉添加量增多，多孔陶瓷的顯氣孔率、平均孔徑、氣體滲透率和氮氣通量增大，容重減小；添加50%（w）碳粉時其顯氣孔率、容重、平均孔徑、氣體滲透率和氮氣通量分別為56.29%、1.10 g·cm－3、6.86μm、825.7 cm3·cm－2·s－1·MPa－1和297.70 m3·m－2·h－1。

（2）隨電石渣添加量增多，多孔陶瓷的顯氣孔率、氣體滲透率和氮氣通量增大，容重減小，平均孔徑變化很小。添加30%（w）電石渣的多孔陶瓷的顯氣孔率、容重、平均孔徑、氣體滲透率和氮氣通量分別為45.91%、1.46 g·cm－3、0.18μm、169.6 cm3·cm－2·s－1·MPa－1和117.01 m3·m－2·h－1。

（3）木質纖維添加量從5%（w）增加至15%（w）時，試樣的顯氣孔率和平均孔徑增大，容重減小；繼續增加至30%（w）時，試樣的顯氣孔率和容重基本上沒有發生變化，平均孔徑逐漸減小，氣體滲透率和氮氣通量的變化無明顯規律。添加15%（w）木質纖維的多孔陶瓷的顯氣孔率、容重、平均孔徑、滲透率和氮氣通量分別為48.31%和1.37 g·cm－3、1.50μm、129.5 cm3·cm－2·s－1·MPa－1和60.77 m3·m－2·h－1。

（4）以碳粉為造孔劑的多孔陶瓷的物相為石英、鈣長石和硅酸鈣相。以電石渣為造孔劑的多孔陶瓷的物相包含石英、鈣長石、鈣鋁黃長石和硅酸鈣。