利用電解錳渣和廢瓷制備陶粒的研究*

葉 芬 向 媛 石 維 成 昊

(銅仁學院材料與化學工程學院 貴州 銅仁 554300)

電解錳被廣泛地用于冶金、化工行業、新能源等領域,它是一種重要的戰略資源[1～4],需求量大。我國的錳礦多為貧礦,富礦較少,且錳礦的成分十分復雜,有高磷和高硅的存在。貴州省銅仁市松桃縣的錳礦相對較為豐富,松桃自治縣是重慶、貴州和湖南交界“錳三角”的核心區域,是我國錳的儲存量最為集中的地方。盡管錳礦儲存較多,但由于錳礦屬于低品位且高硅等的存在,從而很難制備出電解金屬錳,因此生產的成本也高[5]。

電解錳制備過程中產生大量的電解錳渣,為了減少電解錳渣對環境的危害,電解錳企業征用土地做防滲處理后用于電解錳渣的堆放。如果防滲效果不佳電解錳渣會持續向環境遷移和滲透有害物質。因此電解錳渣的無害化處理和資源化利用成為亟需解決的問題,目前資源化利用的方向主要有:重金屬再提取、制備水泥、制磚、路面材料和陶瓷材料[6]等。

廢瓷是典型的建筑垃圾之一,陶瓷廠生產過程中也會產生大量的廢瓷,浪費了大量的原材料和能源,如果能資源化利用廢瓷,可促進綠色建筑的發展。陶?？梢蕴娲炷恋墓橇稀⒂糜谖鬯幚淼倪^濾、微生物生長的載體、填料等領域,需求量大,是固廢資源化利用的有效途徑之一。

研究發現,電解錳渣以SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、Mg O 和SO3組成,硫是以SO42-形式為主,經過高溫煅燒以SO2的形式揮發出去。與傳統陶瓷原料相比,電解錳渣Al2O3含量很低,SiO2含量也偏低,堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物含量較高,因此電解錳渣不能直接用來制備陶瓷材料。筆者擬利用廢瓷調節電解錳渣中SiO2含量,用工業氧化鋁來調節Al2O3含量,從而制備出高強的陶粒,對電解錳渣的資源化利用具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 實驗原料及配方

筆者的實驗原料有電解錳渣、廢瓷和工業氧化鋁粉(電解錳渣和廢瓷的化學成分如表1所示)。電解錳渣中硫的含量較高,主要以CaSO4的形式存在[1,3]。實驗的配方如表2所示,其中工業氧化鋁的外加量保持不變。

表1 電解錳渣的化學成分結果(質量%)

表2 實驗配方(質量%)

1.2 樣品的制備

在稱料前,電解錳渣需要經過充分地干燥,然后球磨過200目篩。廢瓷先敲碎然后通過濕磨進一步粉碎,同樣需要過200目篩。原料準備好后按照表2稱取,利用快速球磨機球磨15 min 達到混料均勻的目的。向混合料中添加一定量的水揉捏成泥團,經過24 h陳腐后再成形為5～8 mm 的球,最后分別在1 080℃、1 090℃、1 100℃、1 110℃和1 120℃煅燒2 h。

1.3 性能表征方法

樣品的體積密度(D)、吸水率(Wa)和顯氣孔率(Pa)根據阿基米德定律計算得到;借助湘潭湘儀生產的型號為TXY 的數顯示陶瓷吸水率測定儀得到樣品的濕重和懸重。樣品的物相由丹東方園儀器有限公司生產的X 衍射儀進行測試(XRD),型號為DX-1000。熱重-差示掃描量熱分析(TG-DSC)由法國SetaramS60/58998測量。力學性能由深圳瑞格爾生產的微機控制電子萬能測試機測量,型號:RGM-1100。

2 結果與討論

2.1 電解錳渣的熱學分析

干燥后沒有經過煅燒電解錳渣的TG-DSC 曲線如圖1所示。從室溫至1 100℃范圍內,電解錳渣熱重曲線可以分成4個階段[7],室溫至133℃區間的失重主要來源于吸附水的脫除;133～917℃對應的失重主要來源于二水石膏脫結晶水,硫酸鹽和含氨復鹽的熱分解;917～1 071℃對應的失重主要來源于CaSO4的分解,在該溫度范圍內出現了明顯的放熱峰[8],這是由于在較高的溫度下電解錳渣分解后生成了新的晶相。

圖1 電解錳渣的TG-DSC曲線

2.2 陶粒的體積密度、吸水率和氣孔率分析

陶粒的體積密度、吸水率和氣孔率如圖2 所示。較低溫度燒結樣品的吸水率和氣孔率較高,是由于電解錳渣中含有較高的CaSO4,CaSO4分解后產生較多的氣體從而在樣品中留下較多的孔洞。隨著燒結溫度的升高,樣品的體積密度先升高后降低,L1、L2和L3分別在1 110℃、1 100℃和1 100℃達到最高值,對應的體積密度分別為2.16 g/cm3、2.34 g/cm3和2.37 g/cm3。L2和L3對應的吸水率和氣孔率較低,表明樣品的致密度較高,L3樣品隨著燒結溫度的升高吸水率和氣孔率有增加的趨勢。L1樣品的體積密度略小于其它樣品,也該樣品的吸水率和氣孔率隨著燒結溫度的升高逐漸減小。L1樣品的電解錳渣占90%,電解錳渣在較高的溫度下產生了較多的液相,填充了樣品中的氣孔,其包含較多的玻璃相[9]。

圖2 陶粒的體積密度、吸水率和氣孔率曲線

2.3 陶粒的抗壓強度分析

陶粒抗壓強度隨燒結溫度的變化曲線如圖3 所示。由圖3可知,隨著燒結溫度的升高,樣品抗壓強度逐漸增加然后降低。L1、L2和L3的最大抗壓強度分別為:17.24 MPa、50.80 MPa和47.69 MPa。L2樣品的抗壓強度優于其它樣品,由前文的體積密度、吸水率和氣孔率分析可知,該樣品的致密度較高。L1樣品的致密度較低且含有較多的玻璃相,所以抗壓強度降低。

圖3 陶粒的抗壓強度隨燒結溫度的變化曲線

2.4 陶粒的物相分析

為了進一步研究隨著燒結溫度的升高,L2樣品表現出較好的抗壓強度。對每個燒結溫度下的L2樣品進行了XRD 分析,結果如圖4所示。由圖4可知,在較低的燒結溫度(1 080℃)下,樣品由石英、鈣長石和鈣鐵氧化物組成,且石英的衍射峰比鈣長石的衍射峰強度高,表明樣品中石英的含量較高。隨著燒結溫度的升高,樣品中的石英對應的衍射峰強度逐漸降低,鈣長石的衍射峰逐漸增強。由此表明,隨著燒結溫度的升高,樣品的中鈣長石含量逐漸增加。玻璃相的減少有利于樣品力學強度的增加。

圖4 L2樣品的XRD 曲線

3 結論

(1)可以利用電解錳渣和廢瓷制備高強的陶粒,當電解錳渣占80%和廢瓷占20%時,1 100℃燒結樣品的體積密度和抗壓強度分別為2.34 g/cm3和50.80 MPa,表現出較好的力學性能。

(2)利用工業氧化鋁調節電解錳渣中Al2O3的含量,有助于石英轉換成鈣長石,提高樣品的致密度,從而有利于力學性能的增加。