多孔陶瓷在环境治理中的应用研究*

2021-01-05孙海侠李元星

陶瓷 2021年6期

孙海侠李元星李琼徐飞

(湖南有色冶金劳动保护研究院长沙 410014)

前言

伴随着工业化发展，社会经济取得了可观的进步，但环境问题也呈现出日益严重的态势，如固体废弃物污染、水污染、大气污染及噪声污染，这些环境污染对人们身心健康造成极大的危害，因此对这些污染的预防与治理已成为我们面临和必须解决的重大问题。

多孔陶瓷作为一种绿色、新型、多功能环保材料应运而生，该材料结合了多孔材料和陶瓷材料二者特性，具有以下优异特性[1-6]：(1)高孔隙率，可达20%～95%，且通过调节制备工艺可控制孔径大小及分布；(2)体积密度小，具有较高的比表面积及特有的表面结构；(3)强度高、刚性大，在外界冲击下不易造成外形及孔结构变化；(4)化学稳定性好，可耐酸耐碱，不与其他物质发生化学反应而造成二次污染；(5)热稳定性高，不易出现氧化、变形等现象，工作温度可达1 000 ℃；(6)自身干净程度高，安全、无有毒有害物质，不会产生二次污染，不易脱落，使用寿命长；(7)再生性强，通过液体或气体反吹或通过高温烧结可基本恢复原有的功能。可广泛应用于环保、冶金、能源、化工与生物等领域。

多孔陶瓷常用的制备工艺有如下几种[7-11]：

(1)有机泡沫浸渍工艺。该工艺是以有机泡沫为模板(常用聚氨酯有机泡沫)，浸渍到陶瓷浆料中，然后采用挤压方式去除多余的浆料，通过冷冻干燥、高温烧除有机泡沫模板，经过高温陶瓷烧结获得多孔陶瓷材料的一种方法。该方法特别之处在于制备出的开孔多孔陶瓷其空隙率及孔结构基本与使用的有机泡沫前驱体三维网状结构骨架一致，该方法适合制备高气孔率、开口气孔的多孔陶瓷材料，且工艺简单，设备操作方便，但此方法制备的陶瓷坯体强度不高，且孔结构多为闭孔。

(2)添加造孔剂工艺。该工艺是在陶瓷浆料中混入一定的造孔剂，如：挥发性或可燃性物质，如：碳酸盐、碳粉、谷物、木屑等，这些造孔剂在高温烧结过程中发生分解、燃烧等化学反应，以气体形式逸出，在陶瓷基体中留下了孔洞，进而得到多孔陶瓷，且该工艺可通过改变造孔剂的含量、大小来调节材料气孔率、孔径大小。该工艺也可与其他工艺结合使用制备形状复杂、多级孔结构、力学性能较高的陶瓷材料，但孔洞分布均匀性稍差，且为闭孔。

(3)发泡工艺。该工艺是向陶瓷组分中添加发泡剂，如：H2O2、CaCO3、Ca(OH)2等通过搅拌、翻滚或者鼓泡等方式使浆料中产生大量的气泡，随后经过固化处理、干燥处理、高温烧结得到多孔陶瓷，用发泡法制备的多孔陶瓷兼具高开孔率和高力学性能，但缺点是该工艺制备周期长、操作复杂。

(4)溶胶—凝胶工艺。该工艺主要是将引发剂加入到陶瓷浆料中产生聚合反应得到陶瓷坯体，经干燥、烧结，得到多孔陶瓷。该工艺可得到纳米级、分布均匀的孔径，可用来制备微孔陶瓷薄膜材料，但不易制备块体陶瓷材料。

(5)搅拌发泡-凝胶注模法。该工艺是将陶瓷混合浆料发泡与凝胶注模工艺相结合制备泡沫陶瓷坯体，其空隙率高达90%以上，具高开孔率和高力学性能，可实现近净成形，设备简单，脱模便捷，可成型复杂形状的成品，因而受业界关注，然而由于常规的氧化-还原凝胶体系成型过程难以控制、氧阻凝以及单体毒性较强等原因工业化推广受到限制。

多孔陶瓷以其较高孔隙率和巨大的比表面积使其在环境治理方向具有广阔的应用前景，已引起全球材料学科的重视。

2 多孔陶瓷在环境治理中的应用

2.1 在固废治理中的应用

随着矿产、冶金、能源等重工业的发展，资源节约与环境保护是当今人类社会所面临的两大难题。“中华人民共和国固体废弃物污染环境防治法”从2005年4月起开始施行，规定了固废防治以“减量化、资源化和无害化”为原则[11]。固废的二次利用，有助于资源可持续发展。工业生产中会产生大量的固废，常见的有粉煤灰、赤泥、硼泥、炉渣、尾矿、陶瓷废料及污水处理厂的污泥、河道污泥等[12、13]。这些固废堆存需占用大量的土地，如果单纯的掩埋或堆放处理，势必会影响当地的水源和土壤。研究发现，许多工业废料中都含有如Al、Si、Mg、Ca系化合物，而这些化合物又是常用的陶瓷生产原料，可以用来制备多孔陶瓷等材料，这一应用方向为工业废渣的回收处理和环境保护提供了新的想法。

周洋[14]等以北京首云矿业集团公司铁矿石开采产生的尾矿为主要原料，采用搅拌发泡—凝胶注模、常压高温烧结工艺制备多孔陶瓷，通过研究粉尘过滤效果，得出多孔陶瓷在1 m/min的风速下气孔率分别为80.8%和84.9%的情况下，过滤阻力分别为174.39 Pa和169.49 Pa，过滤效率均高达99%。该制备工艺简单，成本低廉，可规模化生产，可将其应用在工业废气除尘领域。这样既能够实现尾矿资源再利用，同时又能够减少工业废气中有机污染物的排放，有利于改善和保护生态环境。

李玉香[15]等以电解锰渣、偏高岭土和废玻璃为原料制备出多孔陶瓷，通过研究烧结工艺对多孔陶瓷结构性能的影响，表明：烧结温度1 020 ℃，保温时间45 min时多孔陶瓷的综合性能最好，抗压强度达3.9 MPa，气孔率达77.2%，导热系数为0.052 W/(m·K)，可用于外墙保温材料，为固废资源化提供了一条新途径。

2.2 在废水治理中的应用

随着工业的不断发展，产生中产生大量的废水，不仅是水资源的浪费，而且对环境造成很大的破坏害，严重危害到人类日常生活，因此，我国废水处理问题亟待解决。多孔陶瓷材料因其孔隙率较高，比表面积较大，耐高温、耐磨损、耐化学腐蚀、机械强度高以及再生性强等优点，是较好的过滤、分离元件，可应用于水的净化处理，如吸附、过滤水中金属离子、有机污染物等。其过滤机理主要为：惯性冲撞、扩散和截留，废水流经多孔陶瓷，粒径超过陶瓷孔径的粒子被截留在陶瓷表面，形成滤饼层，其余杂质粒子则通过惯性碰撞在陶瓷孔道壁被捕捉，或者受到布朗运动的影响扩散、粘滞在孔道处。

马非[16]等以易获得、价格低的粘土为原料，联用造孔剂添加法、颗粒堆积法两种方法制备多孔陶瓷，探索了多孔陶瓷对Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+等重金属离子的吸附能力和过滤机理，为多孔陶瓷处理重水污染提供实验基础和理论依据。

李林[17]等采用反应烧结方法制备了SRBSN陶瓷膜，并用于含油废水的分离处理，研究表明SRBSN多孔陶瓷膜具有较高的膜通量及良好的过滤效果。

2.3 在废气治理中的应用

在化工、石油、电力等行业中，煤炭等化石燃料的使用产生大量高温含尘有毒气体，如氮氧化物、二氧化硫等，这些有毒气体对生态环境及人们的健康生活带来严重负面影响。多孔陶瓷机械性能高、热稳定性强、耐酸碱腐蚀性好、无污染、比表面积大、可以加工成形等优点，可作为催化剂载体及高温烟气净化除尘装置。多孔陶瓷比表面积较大、吸附性能和活性良好，可作为载体应用在汽车尾气处理器中，并且随着多孔陶瓷附着的催化剂有效接触面积的增大，催化反应速率以及有毒气体转换效率也随之提高。多孔陶瓷还可作为除尘净化装置在冶金、化工、能源等领域中都有广泛应用，这些行业排放的烟尘具有温度高、气体腐蚀性强等特点，常规的气固分离除尘设备无法满足企业需求，如湿法除尘不仅不能综合利用余热，还造成二次污染；布袋除尘耐高温性能不高；静电除尘存在仪器价格昂贵、占用空间大等方面的问题。目前，在高温烟气处理方面，大部分企业首先采用水冷方式降低高温烟尘温度，然后再使用布袋除尘器清除烟尘颗粒，但是这种方法增加了冷凝设备的采购和运行成本，也流失了大量的热能。与目前大部分高温除尘方式相比，采用多孔陶瓷净化高温烟气不仅除尘效率更高，并且能够过滤烟气中的有害物质，是高温烟气除尘净化的优异解决方案。

袁章福[18]等以SiC、Al2O3等为主要原料，制成非对称陶瓷复合膜管，研究了烟尘过滤时渗透率、阻力之间的关系，结果表明制备的非对称陶瓷管复膜具有较好的渗透性和较低的过滤阻力，烟尘过滤效率达98%以上，可作为气固分离过滤器材料，应用到高温烟气中进行除尘和净化。

2.4 在噪声治理中的应用

噪声是常见的环境污染现象之一，随着工业化和城镇化的迅速发展，噪声污染日趋严重，严重影响人们正常的工作、学习和生活，因此研究吸音降噪解决方案也是社会发展的重要需求之一。多孔陶瓷材料内部有众多互相贯通的微小孔洞，当声波通过空气介质传播到多孔陶瓷表面时，部分声波被多孔陶瓷孔洞表面反射散开，其余声波传入到多孔陶瓷微小孔洞中，声波在微小孔洞传播过程中，会引起空气运动，与孔洞表面产生摩擦，将声能转变为热能，从而达到吸音降噪的目的[19.20]。故可将其作为吸声材料用在地铁、隧道、高架桥、影院等对隔音要求较高的场合，将会取得较好的效果。

冼志勇[21]等以污染环境严重的陶瓷抛光砖废料为主要原料，经过烧结工艺，成功制备出能够在众多噪声污染严重的环境中应用的吸声材料，其成本较低，且吸声系数大于0.2。