过滤用粉煤灰多孔陶瓷的制备及其渗透性能

陈 浩 伍子豪 海万秀 徐照芸 姜木俊 韩凤兰

1）北方民族大学材料科学与工程学院 宁夏银川750021 2）工业废弃物循环利用及先进材料国际科技合作基地 宁夏银川750021

粉煤灰是煤燃烧后的主要废弃物［1］。粉煤灰的主要成分是氧化硅、氧化铝、氧化钙等。许多研究者以粉煤灰为主要原料制备了多孔陶瓷材料［2－6］、多孔陶瓷膜［7－8］、陶粒［9］、保温材料［10－11］等。但是，目前利用粉煤灰制备多孔陶瓷材料时工业固废掺量较小。本工作中，以粉煤灰为主要原料，分别以碳粉、电石渣、木质纤维为造孔剂，添加少量的烧结助剂，制备了固废掺比最高达90%（w）的可用作高温烟气、污水等过滤的多孔陶瓷材料。

1 试验

1.1 试样制备

粉煤灰来自宁夏某甲醇厂，其化学组成（w）为：SiO241%，Al2O327%，Fe2O310%，CaO 7%，MgO 2%，K2O 1.7%，Na2O 1.1%，TiO20.7%。造孔剂有：碳粉，w（C）＞99%；木质纤维；电石渣，其化学组成（w）为：Ca（OH）275% ～80%，Al2O310% ～12%，Fe2O36%～8%，SiO26%～8%。以高岭土为增塑剂，其化学组成（w）为：SiO244.7%，Al2O338.2%，TiO23.3%，CaO 10.1%，MgO 2.2%，Na2O 1.6%。以钾长石为助熔剂，其化学组成（w）为：SiO264.7%，Al2O318.4%，K2O 16.9%。

前期试验表明，以碳粉和木质纤维作为造孔剂时，成型剂中高岭土与钾长石的质量比以1∶5较为适宜，造孔剂与成型剂的质量比以1∶1较为适宜。配方CP40和CP50的设计目的是为了考察在成型剂总量固定为20%（w）的条件下，造孔剂添加量对多孔陶瓷性能的影响，即对比试样CP20、CP40和CP50的性能。为此设计了表1的试验配方。

前期试验还表明，以电石渣为造孔剂时，高岭土和钾长石的添加量均以5%（w）较为适宜。为此设计了表2的试验配方。

按表1和表2配料，在震荡球磨机中研磨混合60 s后，在100 MPa成型压力下保压60 s干压成型为φ20 mm×（20±1）mm的素坯，以10℃·min－1的升温速率升温至1 150℃，保温1 h后随炉冷却至室温［2－3］。

表1 分别以碳粉和木质纤维为造孔剂的试验配方Table 1 Formulations using carbon and wood fiber as pore-forming agents

表2 以电石渣为造孔剂的试验配方Table 2 Formulations carbide slag as pore-forming agents

1.2 性能测试与表征

按照GB／T 1966—1996煮沸法检测试样的容重和显气孔率；采用泡压法测量试样的孔径及气体渗透性能。采用X射线衍射仪分析试样的物相，采用扫描电子显微镜观察试样的显微结构。

2 结果与讨论

2.1 显气孔率和容重

试样的显气孔率和容重随造孔剂种类和添加量的变化见图1。

图1 试样的显气孔率和容重Fig.1 Apparent porosity and density of specimens

由图1可以看出：1）无论在造孔剂与成型剂的质量比固定为1∶1的条件下，还是在成型剂添加量固定为20%（w）的条件下，随着碳粉添加量的增加，试样的显气孔率均呈递增趋势，容重均呈递减趋势；添加50%（w）碳粉试样的显气孔率和容重分别为56.29%和1.10 g·cm－3。2）随着电石渣添加量的增加，试样的显气孔率逐渐增大，容重逐渐减小；添加50%（w）电石渣试样的显气孔率和容重分别为50.58%和1.26 g·cm－3。3）木质纤维添加量从5%（w）增加至15%（w）时，试样的显气孔率增大，容重减小；木质纤维添加量从15%（w）增加至30%（w）时，试样的显气孔率和容重基本上没有发生变化；添加15%（w）木质纤维试样的显气孔率和容重分别为48.31%和1.37 g·cm－3。

2.2 平均孔径和渗透性能

试样的平均孔径、气体渗透率和氮气通量见表3。由于添加40%（w）和50%（w）电石渣试样的强度非常小（仅1～3 MPa），在检测氮气通量和渗透率时碎裂，因此没有检测结果。

表3 试样的孔径和渗透性能Table 3 Pore size and permeability properties of specimens

从表3可以看出：1）无论在造孔剂与成型剂的质量比固定为1∶1的条件下，还是在成型剂添加量固定为20%（w）的条件下，随着碳粉添加量的增加，试样的孔径、渗透率和氮气通量均呈递增趋势，添加50%（w）碳粉试样的平均孔径、渗透率和氮气通量分别为6.86μm、825.7 cm3·cm－2·s－1·MPa－1和297.70 m3·m－2·h－1。2）随着电石渣添加量的增加，试样的平均孔径变化很小，渗透率和氮气通量均呈递增趋势，添加30%（w）电石渣试样的平均孔径、渗透率和氮气通量分别为0.18μm、169.6 cm3·cm－2·s－1·MPa－1和117.01 m3·m－2·h－1。3）随着木质纤维添加量的增加，试样的平均孔径呈先增大后减小的变化趋势，添加15%（w）木质纤维试样的平均孔径达到最大值1.50μm；气体渗透率和氮气通量的变化均无明显规律。

2.3 物相组成

试样的XRD图谱见图2。从以上数据可知，WF系列试样的性能可调性较差，因此在XRD分析和后面SEM分析中不再考虑。

图2 试样的XRD图谱Fig.2 XRD patterns of specimens

从图2（a）可以看出：试样CP05和CP10的主要物相为石英和钙长石，试样CP30和CP50中除石英和钙长石外还出现了新相CaSiO3；试样CP50中钙长石含量增加。从图2（b）可以看出：试样CS00的主要的物相为石英和钙长石；试样CS10中除石英和钙长石外还出现了CaSiO3，并且钙长石含量增加；试样CS30的主要物相转变为钙铝黄长石（Ca2Al2SiO7），石英和钙长石含量降低；试样CS50中钙长石相消失。电石渣中含有75% ～80%（w）的Ca（OH）2；随着电石渣添加量的增加，反应生成的CaSiO3和Ca2Al2SiO7增多［3］。

2.4 显微结构

显气孔率最大的添加50%（w）碳粉试样的断面SEM照片见图3。可以看出，试样烧结较好，孔隙较多，并且孔隙多呈三维贯通状态。

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

显气孔率最大的添加50%（w）电石渣试样的断面SEM照片见图4。可以看出：试样断面粗糙，烧结较差；气孔分布较均匀，孔径≤2μm。

图4 添加50%（w）电石渣制备的多孔陶瓷的SEM照片Fig.4 SEM images of porous ceramics prepared with 50%carbide slag

3 结论

（1）随碳粉添加量增多，多孔陶瓷的显气孔率、平均孔径、气体渗透率和氮气通量增大，容重减小；添加50%（w）碳粉时其显气孔率、容重、平均孔径、气体渗透率和氮气通量分别为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）随电石渣添加量增多，多孔陶瓷的显气孔率、气体渗透率和氮气通量增大，容重减小，平均孔径变化很小。添加30%（w）电石渣的多孔陶瓷的显气孔率、容重、平均孔径、气体渗透率和氮气通量分别为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）木质纤维添加量从5%（w）增加至15%（w）时，试样的显气孔率和平均孔径增大，容重减小；继续增加至30%（w）时，试样的显气孔率和容重基本上没有发生变化，平均孔径逐渐减小，气体渗透率和氮气通量的变化无明显规律。添加15%（w）木质纤维的多孔陶瓷的显气孔率、容重、平均孔径、渗透率和氮气通量分别为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）以碳粉为造孔剂的多孔陶瓷的物相为石英、钙长石和硅酸钙相。以电石渣为造孔剂的多孔陶瓷的物相包含石英、钙长石、钙铝黄长石和硅酸钙。