CN102924113A

CN102924113A - 一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料及制备方法

Info

Publication number: CN102924113A
Application number: CN2012104469921A
Authority: CN
Inventors: 曹占芳; 钟宏; 王帅; 刘广义; 李昌新
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2013-02-13

Abstract

一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料，配料除铜矿尾渣外还包括致孔剂、粘结剂和助熔剂；其制备方法是以铜矿选矿尾矿骨料，添加致孔剂、粘结剂、助熔剂，加水搅拌均匀，模具压制成型，得到生坯，干燥后高温程序控温烧结，得到多孔陶瓷。本发明所用原料廉价易得，只需加入铜矿尾矿渣以及少量添加剂，可最大限度的将尾渣进行资源化利用，且所需的工艺简单，成本低。采用木质素磺酸盐作粘接剂，可以大幅度提高多孔陶瓷材料抗压强度，制得的多孔陶瓷材料抗压强度可达5~25MPa，显气孔率可达40%~65%。可有效利用大量的选矿尾渣，减少环境污染，变废为宝，所制备的多孔陶瓷材料可用作优良的吸附材料和过滤材料。本发明工艺过程简单、铜矿尾矿渣利用量大、无二次污染，所得多孔陶瓷材料抗压强度高、孔隙率高，实现了铜矿尾矿渣的资源化利用。适于工业化生产。

Description

一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料及制备方法，属于陶瓷材料制备技术领域。

背景技术

我国是一个矿业大国，矿业固体废料的积存量和年排放量十分巨大。目前，全国国有、乡镇及个体矿山企业约28万多个，堆积的尾矿总量约60亿t，每年还在以不少于3亿t的速度增长。尾矿以自然堆积法储存于尾矿库中，不仅要侵占大量的土地，污染矿区与周边地区的环境，而且每年还需要投入大量并且是无法收回的处理资金，尾矿已成为矿山企业沉重的包袱。矿业尾矿的成功处置和利用，将对我国的可持续发展产生重大而深远的影响。因此，如何合理有效利用尾矿资源，充分利用尾矿资源来发展节地、节能、节材、环保的新型工业产品将成为尾矿综合治理的重要发展方向。

尾矿再选是尾矿利用的重要途径之一，几乎所有的尾矿都可以通过再选从中再获取一部分有用组分。尾矿再选产业化，能够产生较好的经济效益，但再选后的尾矿一般未作进一步处理，成为二次尾矿堆存，对环境影响仍然没有减轻。利用尾砂制作建筑材料是尾矿的第二大用途。尾矿一直以来是作为非活性材料来应用，经过几年来大量的实验研究发现，不同的金属尾矿及非金属尾矿经过不同的物理－化学改性激发后，就具备很好的水化活性，性能优越、质量稳定，与其它火山灰质等材料具有一定的相容性，并能改善产品性能。改性后的尾砂可作为制作建筑材料的原料。尾砂充填是尾矿综合利用的第三大途径，即将选矿厂的尾矿经过适当处理后作为采矿采空区的充填材料使用。尾砂充填是实现矿山无尾生产的主要途径之一。

另一方面，多孔陶瓷材料因其特殊的孔隙结构和陶瓷本身的特殊性能，使其成为了一种性能优异，作用独特的新型多功能材料。近年来，随着多孔陶瓷在催化剂载体、过滤、耐火材料、生物材料等领域的广泛应用，陶瓷滤料的研发得到迅猛发展。

铜矿尾矿中含有大量的硅酸盐矿物，能够作为多孔陶瓷材料形成骨架的主要组分，因此可以将其用作制备多孔陶瓷材料的原料。

目前尚无关于利用铜矿尾渣为原料并添加木质素磺酸盐为粘接剂，制备具有高强度和孔隙率的多孔陶瓷材料方面的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺过程简单、铜矿尾矿渣利用量大、无二次污染，所得多孔陶瓷材料抗压强度高、孔隙率高的铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料及制备方法。

本发明一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料，配料除铜矿尾渣外还包括致孔剂、粘结剂和助熔剂，各组分的添加量占铜矿尾矿渣的质量百分比例为：

致孔剂 5%~45%，

粘结剂 1%~35%，

助熔剂 1%~10%。

本发明一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料，所述铜矿尾渣为硫化铜矿浮选尾渣或氧化铜矿浸出尾渣，所述铜矿尾渣中SiO₂含量大于等于15%。

本发明一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料，所述铜矿尾渣、致孔剂、粘结剂和助熔剂的粒度控制在50~200目。

本发明一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料，所述的粘结剂选自木质素磺酸盐、膨润土、高岭土、硅酸钠、水玻璃、淀粉、石蜡、甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯醇、羧甲基纤维素中的至少一种。

本发明一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料，所述木质素磺酸盐为木质素磺酸钠、木质素磺酸钾或木质素磺酸钙。

本发明一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料，所述的助熔剂选自石英、长石、蛇纹石、页岩、珍珠岩中的至少一种。

本发明一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料，所述致孔剂选自碳粉、煤粉、锯末、淀粉、石墨、石灰石、白云石中的至少一种。

本发明一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料的制备方法，是采用下述方案实现的：首先，按设计的铜矿尾矿渣多孔陶瓷各组分配比分别取铜矿尾渣、致孔剂、粘结剂和助熔剂混合均匀，得到混合物料；将混合料模压成型，得到生坯，干燥，将干燥后的生坯加热升温至烧结温度，保温后随炉冷却；或

将生坯加热升温至250~600℃，保温10~30分钟后继续加热升温至600~1050℃，保温10~30分钟，然后继续加热升温至烧结温度，保温后随炉冷却；得到铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料；烧结温度为900~1300℃，烧结保温时间为30~80分钟，升温速度为2~10℃/分钟。

本发明一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料的制备方法，模压成型工艺参数为：采用钢质模具，压制压力1~15MPa，压制时间1~10分钟。

本发明一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料的制备方法，烧结温度为1050~1180℃，使原料转化为高强度的陶瓷晶相。

本发明由于采用上述组分及工艺方法，实现了铜矿尾矿渣的资源化利用。具有以下优点：

（1）本发明所用原料廉价易得，只需加入铜矿尾矿渣以及少量添加剂，可最大限度的将尾渣进行资源化利用，且所需的工艺简单，成本低。

（2）木质素磺酸盐是一种天然高分子聚合物，具有很强的分散性，能吸附在各种固体质点的表面，并进行金属离子交换作用，并且其组织结构上存在各种活性基，能产生缩合作用或与其他化合物发生氢键作用，在多孔陶瓷材料制备过程中添加可以实现增强其抗压强度的效果。因为木质素磺酸盐的应用，可以大幅度提高多孔陶瓷材料抗压强度，采用本发明方法制得的多孔陶瓷材料具有抗压强度高、孔隙率高的特点，其抗压强度可达5~25MPa，显气孔率可达40%~65%。

（3）此发明也可应用于萤石尾矿、钾长石等其他SiO²含量大于等于15%的硅酸盐矿物尾矿为原料制备高强度多孔陶瓷材料。

（4）本发明不仅可有效利用大量的选矿尾渣，减少环境污染，变废为宝，所制备的多孔陶瓷材料可用作优良的吸附材料和过滤材料。

综上所述，本发明工艺过程简单、铜矿尾矿渣利用量大、无二次污染，所得多孔陶瓷材料抗压强度高、孔隙率高，实现了铜矿尾矿渣的资源化利用。适于工业化生产。

附图说明

附图1为实施例2制备的多孔陶瓷的扫描电镜照片。

从图中可以看出：所制备的样品内部结构紧密，富含三维连通且均布的气孔，三维微孔所占比例大，具有很高的比表面积，且晶粒间有玻璃相连接，使样品的内部骨架坚固。

具体实施方式

本发明由下列实施例进一步说明，但不受这些实施例的限制。实施例中所有百分数除另有规定外均指质量百分数。

实施例1

实施例1铜矿浮选尾渣为原料，高岭土为粘接剂。铜矿尾渣取之德兴铜矿尾矿坝，对其进行XRF分析，结果见表1：

表1

取德兴铜矿选矿尾渣100份，碳粉30份，高岭土20份,长石3份，混合均匀，放入钢质模具，在8MPa的压力下压制3分钟，取出生坯，自然风干后，放入高温电炉中，从室温以5℃/分钟的升温速率升至1100℃，保温烧结1小时，冷却后取出，得到多孔陶瓷。多孔陶瓷的显气孔率为41.07%，吸水率为30.68%，体积密度为1.78g/cm³，抗压强度为2.7MPa，耐酸性为96.82%，耐碱性为99.41%。

实施例2铜矿浮选尾渣为原料（同实施例1），木质素磺酸钠为粘接剂。

取德兴铜矿选矿尾渣100份，碳粉30份，长石3份，木质素磺酸钠15份,混合均匀，放入钢质模具，在8MPa的压力下压制3分钟，取出生坯，自然风干后，放入高温电炉中，从室温以5℃/分钟的升温速率升至1100℃，保温烧结1小时，冷却后取出，得到多孔陶瓷。多孔陶瓷的显气孔率为56.93%，吸水率为52.78%，体积密度为1.09g/cm³，抗压强度为15.8MPa，耐酸性为98.87%，耐碱性为99.13%。由此可以发现用木质素磺酸钠为粘接剂在同等条件下，比单独以高岭土为粘接剂，大幅度的提高了多孔陶瓷滤球的抗压强度和气孔率。木质素磺酸盐是一种天然高分子聚合物，具有很强的分散性，能吸附在各种固体质点的表面，并进行金属离子交换作用，并且其组织结构上存在各种活性基，能产生缩合作用或与其他化合物发生氢键作用，在多孔陶瓷材料制备过程中添加可以实现增强其抗压强度的效果。制备的多孔陶瓷材料的扫描电镜照片如图1所示。

实施例3铜矿浮选尾渣为原料（同实施例1），水玻璃为粘接剂。

取德兴铜矿选矿尾渣100份，碳粉30份，蛇纹石5份，水玻璃25份，混合均匀，放入钢质模具，在10MPa的压力下压制3分钟，取出生坯，自然风干后，放入高温电炉中，从室温以3℃/分钟的升温速率升至1080℃，保温烧结80min，冷却后取出，得到多孔陶瓷。多孔陶瓷的显气孔率为39.76%，吸水率为28.01%，体积密度为1.91g/cm³，抗压强度为1.48MPa，耐酸性为98.65%，耐碱性为98.27%。

实施例4铜矿浮选尾渣为原料（同实施例1），淀粉为粘接剂。

取德兴铜矿选矿尾渣100份，碳粉30份，珍珠岩5份，长石3份，淀粉20份，混合均匀，放入钢质模具，在9MPa的压力下压制3分钟，取出生坯，自然风干后，放入高温电炉中，从室温以10℃/分钟的升温速率升至1100℃，保温烧结30min，冷却后取出，得到多孔陶瓷。多孔陶瓷的显气孔率为44.86%，吸水率为39.09%，体积密度为1.31g/cm³，抗压强度为3.17MPa，耐酸性为98.01%，耐碱性为97.89%。

实施例5铜矿浮选尾渣为原料（同实施例1），碳粉为致孔剂，白云石为助溶剂和致孔剂，水玻璃和木质素磺酸钠为粘结剂。

取铜矿浮选尾矿100份，碳粉30份，石英9份，水玻璃8份，木质素磺酸钙8份，混合均匀，放入钢质模具，在8MPa的压力下压制5分钟，取出生坯，放入电炉中保持温度为85℃干燥1小时，再放进高温电炉中，从室温以3℃/分钟的升温速率升至300℃保温20分钟，再以同样的升温速率升至950℃后保温20分钟，最后以2.5℃/分钟的升温速率升至1100℃后，保温烧结1小时，冷却后取出，得到多孔陶瓷。陶瓷的显气孔率为57.36%，吸水率为54.66%，体积密度为1.19，g/cm³，抗压强度为16.77MPa，耐酸性为93.14%，耐碱性为98.07%。

实施例6萤石矿浮选尾渣为原料（Si 37.64%,Al 5.55%,O 51.43%,Fe 1.01%），碳粉为致孔剂，白云石为助溶剂和致孔剂，木质素磺酸钙为粘结剂。

取萤石矿浮选尾矿100份，碳粉25份，长石9份，木质素磺酸钙12份，混合均匀，放入钢质模具，在6MPa的压力下压制10分钟，取出生坯，放入电炉中保持温度为100℃干燥40分钟，再放进高温电炉中，从室温以5℃/分钟的升温速率升至500℃保温20分钟，再以同样的升温速率升至700℃后保温30分钟，最后以3℃/分钟的升温速率升至1150℃后，保温烧结1小时，冷却后取出，得到多孔陶瓷。陶瓷的显气孔率为61.99%，吸水率为57.82%，体积密度为1.09，g/cm³，抗压强度为18.45MPa，耐酸性为91.06%，耐碱性为97.24%。

实施例7铜尾渣多孔陶瓷材料用作吸附材料

以硫酸铜、硫酸铁、硫酸锌和硫酸锰分别配制含0.1mol/L Cu²⁺、Fe³⁺、Zn²⁺、和Mn²⁺离子的溶液，用硫酸调整溶液的pH值为1.5左右。各取1份实施例2制备的多孔陶瓷样品，分别加入到50份配制的溶液中，在恒温水浴振荡器中保持温度为25℃振荡2小时，过滤后测定溶液中重金属离子的含量，测得多孔陶瓷对铜、铁、锌和锰的吸附率分别为99.5%，97.6%，95.1和98.7％。

Claims

1.一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料，配料除铜矿尾渣外还包括致孔剂、粘结剂和助熔剂，各组分的添加量占铜矿尾矿渣的质量百分比例为：

致孔剂 5%~45%，

粘结剂 1%~35%，

助熔剂 1%~10%。

2.根据权利要求1所述的一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料，其特征在于：所述铜矿尾渣为硫化铜矿浮选尾渣或氧化铜矿浸出尾渣，所述铜矿尾渣中SiO₂含量大于等于15%。

3.根据权利要求1或2所述的一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料，其特征在于：所述铜矿尾渣、致孔剂、粘结剂和助熔剂的粒度控制在50~200目。

4.根据权利要求3所述的一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料，其特征在于：所述的粘结剂选自木质素磺酸盐、膨润土、高岭土、硅酸钠、水玻璃、淀粉、石蜡、甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯醇、羧甲基纤维素中的至少一种。

5.根据权利要求4所述的一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料，其特征在于：所述木质素磺酸盐为木质素磺酸钠、木质素磺酸钾或木质素磺酸钙。

6.根据权利要求5所述的一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料，其特征在于：所述的助熔剂选自石英、长石、蛇纹石、页岩、珍珠岩中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料，其特征在于：所述致孔剂选自碳粉、煤粉、锯末、淀粉、石墨、石灰石、白云石中的至少一种。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于：首先，按设计的铜矿尾矿渣多孔陶瓷各组分配比分别取铜矿尾渣、致孔剂、粘结剂和助熔剂混合均匀，得到混合物料；将混合料模压成型，得到生坯，干燥，将干燥后的生坯加热升温至烧结温度，保温后随炉冷却；或

9.根据权利要求8所述一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料的制备的方法，其特征在于：模压成型工艺参数为：采用钢质模具，压制压力1~15MPa，压制时间1~10分钟。

10.根据权利要求8所述一种铜矿尾矿渣多孔陶瓷材料的制备的方法，其特征在于：烧结温度为1050~1180℃，使原料转化为高强度的陶瓷晶相。