CN105130489A - 一种利用煤矸石制备多孔陶瓷的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用煤矸石制备多孔陶瓷的方法，属于无机非金属材料科学多孔陶瓷材料技术领域，包括以下步骤：将球磨、过筛的煤矸石粉料或经酸浸除杂的煤矸石粉料加入适量油性主液相，其用量控制在每100g固体原料添加60mL~120mL，搅拌混合；再加入少量水性溶液，其用量控制在主液相的2%~12%，充分搅拌混合均匀，获得塑性浆料，陈腐；将陈腐后的浆料注模成型，脱脂；再将脱脂后的素坯在1000℃~1350℃范围内烧结即可制得多孔陶瓷。该方法采用多相系统中界面间的毛细管张力搭建骨架造孔，大大改善了多孔陶瓷烧结时高温排除造孔剂和有机模板造成的环境污染和孔特性改变的问题。

Description

一种利用煤矸石制备多孔陶瓷的方法

技术领域

本发明涉及无机非金属材料科学多孔陶瓷材料领域，确切地说是一种利用煤矸石制备多孔陶瓷的方法。

背景技术

煤矸石是一种在煤形成过程中与煤伴生、共生的岩石，是煤炭生产和加工过程中产生的固体废弃物。煤矸石是我国排放量最大的工业固体废弃物，煤矸石的大量堆放，不仅压占土地，影响生态环境，矸石淋溶水将污染周围土壤和地下水，而且煤矸石中含有一定的可燃物，在适宜的条件下发生自燃，排放二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物和烟尘等有害气体污染大气环境，影响矿区居民的身体健康。随着科技的进步，人们越来越认识到煤矸石是可利用的资源。从构成化学成分上看，煤矸石一般以硅、铝氧化物为主要成分，另外含有数量不等的Fe₂O₃、CaO、MgO、SO₃、K₂O、Na₂O等，同时还含有一定量的有机质，含有碳、氢、氧、氮和硫等元素。

多孔陶瓷是一种新型功能陶瓷材料，它不仅具有普通陶瓷的耐高温、耐腐蚀、高的化学稳定性等，还有气孔率高、体积密度小、比表面积大等独特的物理表面特性，而被广泛应用于冶金、化工、环保、生物、医药、舰船、航空航天等领域。

目前相关文献中对利用煤矸石制备多孔陶瓷的研究已有相关报道，制备方法以添加造孔剂法为主，采用各种不同造孔剂制备了不同显气孔率的多孔陶瓷，例如CN103553705A公开了一种煤矸石制备堇青石质多孔陶瓷的方法，用煤矸石、滑石、氧化铝和氧化镁为原料，加入活性炭作为造孔剂制备堇青石质多孔陶瓷；CN201310229971公开的方法是以球状交联丙烯酸树脂作为造孔剂直接烧制多孔陶瓷。此外，有机泡沫浸渍模板法也被用以制备煤矸石多孔陶瓷。本发明利用煤矸石原料，采用多相系统中界面间的毛细管张力搭建骨架造孔从而制备多孔陶瓷，以解决多孔陶瓷烧结时高温排除造孔剂和有机模板造成的环境污染和孔特性改变的问题。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种利用工业固体废弃物煤矸石作为主要原料制备多孔陶瓷的制备方法。一方面提高煤矸石资源化利用率，降低煤矸石对环境的污染，改善煤矿生产结构，有利于可持续发展战略的实施；另一方面利用煤矸石作为制备多孔陶瓷的主要原料，降低生产成本。该方法利用浆料中固相颗粒、主液相和第二液相三相之间形成的毛细管力搭建多孔骨架获得孔结构，再进行高温烧结制备多孔陶瓷。其中固相颗粒是指制备陶瓷的原料，以下以煤矸石原料为例进行阐述；主液相是指与固相颗粒不亲和的液体，当使用亲水性的煤矸石等粘土质固相颗粒时，主液相应选择不溶于水的油性溶液，如石蜡、石蜡油、正葵醇、辛醇、邻苯二甲酸二异壬酯等，而第二液相可相应地选择水性溶液，如水、蔗糖溶液、甘油、硅酸钠溶液、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇等。以下以石蜡油为主液相，硅酸钠溶液为第二液相为例进行阐述。

上述目的通过以下方案实现：

一种利用煤矸石制备多孔陶瓷的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)将球磨、过筛的煤矸石粉料或经酸浸除杂的煤矸石粉料作为固体原料，在其中加入适量油性主液相，搅拌混合均匀，得煤矸石油相浆料；

b)将少量水性溶液加入上述煤矸石油相浆料中，搅拌混合均匀，获得塑性浆料，陈腐0-24h；

c)将陈腐后的浆料注模成型，然后脱脂；

d)将脱脂后的素坯放入高温炉中烧结制得多孔陶瓷。

所述的一种利用煤矸石制备多孔陶瓷的方法，其特征在于，所述步骤a)中的油性主液相指的是石蜡油、石蜡、辛醇、邻苯二甲酸二异壬酯中的一种，其用量控制在每100g固体原料中加入油性主液相60mL-120mL。

所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)中的水性溶液指的是是水、蔗糖溶液、甘油、硅酸钠溶液、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇等，其用量控制在主液相的0.5%~12.0%；

所述的制备方法，其特征在于，所述步骤d)中高温烧结的温度范围为1000℃~1350℃。

本发明的有益效果为：

该方法采用区别于其它煤矸石原料制备多孔陶瓷的方法在于，利用原料固体颗粒和两种液相之间形成的毛细管力在素坯成型阶段完成造孔，且低温（<150℃）脱除主液相，从根本上避免了其它多孔陶瓷制备技术需在高温阶段排除造孔剂或模板带来的坯体变形等问题；其次利用天然煤矸石自身所含的各种杂质做助烧剂以降低烧结温度，并利用其所含有机物在高温烧结阶段燃烧以节约能源利用率，同时进一步造孔提高孔隙率。

具体实施方式

实施例1、一种以煤矸石为原料制备多孔陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

a)将球磨、过筛的煤矸石粉体加入适量石蜡油，搅拌混合均匀；

b)将少量硅酸钠溶液加入上述煤矸石石蜡油浆料中，搅拌混合均匀，获得塑性浆料，陈腐一段时间；

c)将陈腐后的浆料注模成型，脱脂；

d)将脱脂后的素坯放入高温炉中烧结制得多孔陶瓷。

所述步骤a)中石蜡油的用量控制在60mL每100g固体原料；

所述步骤b)中硅酸钠溶液的量控制在石蜡油的2%，陈腐时间控制在24小时以内；

所述步骤d)中高温烧结的温度范围为1000℃~1250℃；

所制备的多孔陶瓷显气孔率在35%~50%范围内，抗压强度范围为0.7MPa~18MPa。

实施例2、一种酸浸处理的煤矸石为原料制备多孔陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

e)将球磨、过筛的煤矸石粉体低温煅烧后进行酸浸除杂处理；将适量石蜡油加入酸浸处理后的煤矸石，搅拌混合均匀；

f)将少量硅酸钠溶液加入上述煤矸石石蜡油浆料中，搅拌混合均匀，获得塑性浆料，陈腐一段时间；

g)将陈腐后的浆料注模成型，脱脂；

h)将脱脂后的素坯放入高温炉中烧结制得多孔陶瓷。

所述步骤e)中煅烧温度为350℃，酸为稀HCl与稀H₂SO₄体积比为1:1的混酸，混酸与煤矸石的质量比控制在2:1~16:1范围内，酸浸温度控制在50℃~90℃范围内，酸浸时间1h~6h；石蜡油的用量控制在100mL每100g固体原料；

所述步骤f,h)中技术参数控制与步骤b,d)相同；

所制备的多孔陶瓷显气孔率在38%~60%范围内，抗压强度范围为0.5MPa~35MPa。

实施例3、

i)将煤矸石经过破碎机、球磨机破碎、球磨，过0.15mm方孔筛，得煤矸石粉料；取50g煤矸石和200mL(3%HCl+17%H₂SO₃)混酸，80℃搅拌加热4h。然后冷却、离心洗涤、干燥，得除杂后的煤矸石粉料；

j)取50g酸浸处理的煤矸石粉料，加入50mL石蜡油，充分搅拌混合均匀；再加入2mL硅酸钠溶液，搅拌均匀；装入20mm直径20mm高的圆柱形模具中成型，再放入60℃烘箱中加热24h，脱去石蜡，脱模；

k)将脱模后的生坯放入高温炉中1200℃烧结2h，即得到显孔隙率50%、抗压强度5MPa的多孔陶瓷。

Claims (4)

1.一种利用煤矸石制备多孔陶瓷的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)将球磨、过筛的煤矸石粉料或经酸浸除杂的煤矸石粉料作为固体原料，在其中加入适量油性主液相，搅拌混合均匀，得煤矸石油相浆料；

b)将少量水性溶液加入上述煤矸石油相浆料中，搅拌混合均匀，获得塑性浆料，陈腐0-24h；

c)将陈腐后的浆料注模成型，然后脱脂；

d)将脱脂后的素坯放入高温炉中烧结制得多孔陶瓷。

2.根据权利要求1所述的一种利用煤矸石制备多孔陶瓷的方法，其特征在于，所述步骤a)中的油性主液相指的是石蜡油、石蜡、辛醇、邻苯二甲酸二异壬酯中的一种，其用量控制在每100g固体原料中加入油性主液相60mL-120mL。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)中的水性溶液指的是是水、蔗糖溶液、甘油、硅酸钠溶液、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇等，其用量控制在主液相的0.5%~12.0%。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤d)中高温烧结的温度范围为1000℃~1350℃。