CN108467258A - 一种利用粉煤灰制备的贯通气孔多孔陶瓷及其制备方法 - Google Patents

一种利用粉煤灰制备的贯通气孔多孔陶瓷及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于陶瓷材料领域，涉及一种利用粉煤灰制备的贯通气孔多孔陶瓷及其制备方法。本发明以工业固废粉煤灰为原料，以碳粉为造孔剂，添加少量的高岭土和钾长石作为烧结助剂，经球磨混合，干压成型，高温烧结得到多孔陶瓷。本发明所述方法固废掺比最高可达90%，其中，当碳粉掺比5%时粉煤灰的掺比可达90%，大大提高了工业固废粉煤灰在配料中的比例，达到以废治废资源化综合利用、拓展循环经济产业链的目的。所得多孔陶瓷的总气孔率为38%‑56%，体积密度为1.1g/cm3‑1.6g/cm3，吸水率为24%‑50%，可用于高温烟气、污水等的过滤，拓宽了工业固废再利用制品的应用领域。

Description

一种利用粉煤灰制备的贯通气孔多孔陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷材料领域，尤其涉及一种利用粉煤灰制备的贯通气孔多孔陶瓷及其 制备方法。
背景技术
随着我国社会现代化工业的快速发展，产生了大量的固体废弃物，压占土地，污染环境，给社会经济发展、自然环境保护造成沉重的负担。充分利用这些废弃物对提高资源利用效率，发展循环经济，建设节约型社会、保护环境，造福人类具有十分重要的意义。但目前我国工业固体废弃物再利用主要以临时道路和地坪填埋，烧结制备水泥熟料，烧结制砖等 简单的再加工处理的方式利用，被利用的工业固体废弃物的种类和生成产品的适用范围都很 有限。
粉煤灰是煤燃烧后的主要废弃物，由于我国的能源结构以燃煤为主，随着电力、冶金、建材、化工、机电等工业的发展，粉煤灰的排放量日益增多，给经济、社会和环境带来 巨大的负担。粉煤灰的主要成分是氧化硅、氧化铝、氧化钙，还少量的氧化铁、含钠、钾的 化合物，以及少量的其他金属化合物，未燃烧充分的粉煤灰还含有少量的单质碳。从成分来 看，粉煤灰可用于制造过滤材料，如高温烟气和废水前处理用多孔陶瓷等。
目前用于高温环境和复杂水环境的过滤材料主要是以工业氧化铝多孔陶瓷，碳化硅 多孔陶瓷。虽然这些陶瓷具有较好的性能，但所用材料价格相对较高且制备工艺复杂是限制 其广泛应用的最大障碍。由此，开发低成本，环境友好的多孔陶瓷过滤材料具有重要意义。 由于粉煤灰成本较低，可作为制备多孔陶瓷的原料，所以近年来国内外已经有研究人员开展 了一些相关的研究工作，利用粉煤灰制备多孔陶瓷。
陈钊等以粉煤灰为主要原料，氧化铝为辅料（0.4%），玻璃粉为粘结剂（6%），不可溶性淀粉为造孔剂（6%），干压成型（18 MPa）得到柱状坯体，经高温（1200℃）烧结制得 多孔陶瓷，其抗弯强度为8.23MPa，孔隙率 37.65%，吸水率为22.61%，耐酸性为96.89%，耐碱性96.86%，密度为1.69 g/ml(陈钊，左绪俊，杨本宏，刘丽，杨盼盼，周鑫.用粉煤灰为主要原料制备多孔陶瓷研究[J]. 安徽建筑大学学报. 2017 (04): 38-42.)。但是该方法需添加粘结剂以及氧化铝等辅料。
汪庆刚等以粉煤灰为原料，瓷抛光废渣、废熔块、烧滑石等制得了密度仅为0.51g/cm3、导热系数为 0.082 W/(m·K)的轻质多孔陶瓷，结果表明：SiC 含量对粉煤灰基轻质多孔陶瓷性能影响最大，熔剂废熔块含量次之。(汪庆刚，黄剑锋，潘利敏，刘一军，李嘉胤，黄玲艳. 粉煤灰基轻质多孔陶瓷的制备及性能研究[J]. 硅酸盐通报. 2017 (12):4129-4134)。
海万秀等以镁渣、粉煤灰等为原料，烧结温度 1150℃，保温4h 制得了固废掺比为90% 的镁渣基多孔陶瓷。结果表明，成型压力对多孔陶瓷的气孔率、吸水率和体积密度具有较大影响。镁渣和粉煤灰的配比为7∶2时，多孔陶瓷产品的综合性能较好。(海万秀，韩凤兰，姜木俊，白柳扬. 过滤用镁渣多孔陶瓷的制备与渗透性能[J]. 硅酸盐通报. 2017 (10):2003-2007)。但该方法以镁渣为主要原料，粉煤灰的掺比量最大仅为50%。
CN104211427A 公开了一种以粉煤灰、纸浆废液为原料制备的多孔陶瓷。该多孔陶瓷 较为大量地消耗了粉煤灰，可用于各种介质的精密过滤与分离，高压气体排气消音等。但该 多孔陶瓷添加了造孔剂、粘结剂、添加剂等，总量达到了30-48%。
CN107115768A 公开了一种以粉煤灰为主要原料的烟气脱水陶瓷膜及其制备方法，以粉煤灰为主料，比例在 68%以上；辅料为糊精、高粘羧甲基纤维素、甘油和高岭土，比例小于32%。通过利用电厂废料进行烟气脱水陶瓷膜制备，为火电厂实现深度节能减排提供了一个崭新的方向和思路。但该方法的制备过程较为复杂、耗时长，工艺控制难度较大。
由上述文献和专利可见，目前利用粉煤灰制备的多孔陶瓷材料，其原料中工业固废 的掺比量小，最大不超过70%，且同时需消耗造孔剂，粘结剂，激发剂，稳定剂及其他添加剂等；其制备工艺复杂，流程长，可变因素多，操作难度大。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的第一个目的是提供一种利用粉煤灰制备贯通气孔多孔 陶瓷的方法。本发明的另一个目的是提供一种利用粉煤灰制备的贯通气孔多孔陶瓷。本发明以工业固废——粉煤灰为原料，添加少量的烧结助剂，以碳粉为造孔剂，经球磨混合，干压成型，高温烧结制备多孔陶瓷。固废掺比最高可达 90%，所得多孔陶瓷可用作高温烟气、污水等的过滤材料，拓宽了工业固废再利用制品的应用领域。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为一种利用粉煤灰制备贯通气孔多孔陶瓷的方法，其特征在于，取粉煤灰、碳粉、高岭土、钾长石，加工处理成混合粉，然后压制成型，最后烧结，得到多孔陶瓷。
进一步，所述一种利用粉煤灰制备贯通气孔多孔陶瓷的方法具体包括如下步骤：
S1.配料：将粉煤灰、碳粉、钾长石、高岭土按质量比 30-90:5-50:3-30:0.5-8 配料；
S2.加工处理：将配好的料加工处理成粒径为 1μm -100μm 均匀混合粉；
S3.压制成型：将混合粉压制成型，成型压力为 10 MPa - 250 MPa，保压时间为 30s -60s；
S4.烧结：在升温速率为 1℃/min-6℃/min，烧结温度为 1000℃-1100℃，保温时间为60min -480min 条件下烧结，随炉冷却，得多孔陶瓷。
进一步，步骤 S1 中，所述粉煤灰︰碳粉︰钾长石︰高岭土的质量比为 40-80:10-40:8-22:1-6。
优选的，所述粉煤灰︰碳粉︰钾长石︰高岭土的质量比为 50:25:20:5。
进一步，步骤 S2 中，所述加工处理方法为将粉煤灰、碳粉、高岭土和钾长石在混合前或混合过程中进行粉碎。本领域技术人员公知，常用的粉碎方法都可用于本发明，粉碎方法包括但不限于：挤压粉碎、挤压-剪切粉碎、劈裂粉碎、冲击粉碎等，可以采用的粉碎装置包括但不限于：颚式破碎机、柱磨、雷蒙磨、钢球磨、立磨、棒磨、冲旋破碎机、锤式破碎机等。
进一步，步骤 S2 中，所述粉煤灰、碳粉、高岭土和钾长石混合粉的粒径为 5μm -50μm。
进一步，步骤 S3 中，所述压制成型方法包括但不限于冷等静压成型、模压成型。
优选的，所述压制成型方法为模压成型，成型压力为 40MPa-120MPa。
进一步，步骤 S4 中，所述烧结升温速率为 2℃/min-5℃/min，保温时间为120min-240min；步骤 S4 中，所述烧结方式为高温无压烧结。
本发明采用的另一个技术方案为由上述方法制备的贯通气孔多孔陶瓷。所述多孔陶瓷的总气孔率为38%-56%，体积密度为 1.1g/cm3-1.6g/cm3，吸水率为24%-50%。
优选的，所述多孔陶瓷的总气孔率为 38%-56%，体积密度为 1.2g/cm3-1.6g/cm3，吸 水率为 30%-40%。
本发明中的碳粉可用原煤粉研磨后得到的细粉代替，粉煤灰中的少量自由碳也可作 为造孔剂。
采用上述方法制备的多孔陶瓷，其总气孔率可以通过调整原料中粉媒灰和碳粉的配 比，改变碳粉的用量来调节，增加碳粉的用量，利用碳粉分解后的造孔作用可以增加气孔率； 采用上述方法制备的多孔陶瓷，可用于过滤，保温，隔音，拓宽了工业固废再利用制品的应 用领域。根据多孔陶瓷的总气孔率、体积密度，视使用条件要求，可用于烟气、污水的过滤，保温，隔音等方面。
本发明中所用术语“总气孔率”是指闭口气孔率与开口气孔率之和。
本发明中所用术语“体积密度”是多孔材料不含游离水的质量与其总体积（包括材料的实占体积和全部孔隙所占体积）之比值。
本发明中所用术语“吸水率”是指多孔材料中所有开口气孔所吸收的水的质量与其 干燥材料的质量之比值。
其中总气孔率、体积密度和吸水率的测定方法采用阿基米德法。
本发明与现有技术相比，具备如下有益效果。
1. 本发明以工业固废——粉煤灰为主要原料，以碳粉为造孔剂，添加高岭土和钾长石作为烧结助剂，经压制烧结，得到可用于过滤的多孔陶瓷材料。当添加高岭土和钾长石总量为 10% 时，固废掺比可高达 90%，其中，当碳粉掺比为5% 时粉煤灰的掺比可达 90%，大大提高了工业固废，尤其是粉煤灰在配料中的比例，达到了“以废治废”资源化综合利用，拓展循环经济产业链的目的。
2. 本发明利用碳粉为造孔剂，碳粉也可用原煤粉代替。在烧结过程，碳粉可充当造 孔剂，在高温时燃尽，留下空隙，形成孔道，所以不需额外添加造孔剂，降低了配料的复杂 性，并大大提高了工业固废在配料中的比例。
3. 本发明工艺简单，原料廉价易得，生产成本低，易于规模化生产。
4. 本发明所制得的多孔陶瓷，根据其总气孔率、体积密度，视使用条件要求，可用于过滤，保温，隔音等方面，拓宽了工业固废再利用制品的应用领域。
5. 本发明制备的多孔陶瓷，其气孔为贯通型，且总气孔率可以通过调整粉煤灰和碳粉的配比来调节，降低粉煤灰配比的同时提高碳粉的配比，可使多孔陶瓷的总气孔率增大， 反之，可使多孔陶瓷的总气孔率减少。
6. 按本技术方案生产的产品样品，经后续分析测试，证明采用本发明技术方案，生 产的多孔陶瓷，总气孔率在 30%以上，吸水率在 20%以上，能够达到预期的技术效果。
综上所述，本发明提供的利用工业固体废弃物制备多孔陶瓷的方法克服了现有技术 存在的工业固体废弃物再利用中对粉煤灰的综合利用不充分、工业固废的掺比量小，同时需 消耗造孔剂、粘结剂、激发剂、稳定剂及其他添加剂等，及现有技术制备工艺复杂、流程长、 可变因素多、操作难度大等缺点；本发明制备方法固废掺比高、不需额外添加造孔剂、工艺简单、所得陶瓷可用于烟气、污水的过滤，以及隔音、保温等方面，拓宽了工业固废再利用制品的应用领域。
附图说明
图 1 为由实施例 1 所得多孔陶瓷的扫描电镜微观形貌图；
图 2 为由实施例 2 所得多孔陶瓷的扫描电镜微观形貌图；
图 3 为由实施例 3 所得多孔陶瓷的扫描电镜微观形貌图；
图 4 为由实施例 4 所得多孔陶瓷的扫描电镜微观形貌图；
图 5 为由实施例 5 所得多孔陶瓷的扫描电镜微观形貌图；
图 6 为由实施例 1 所得多孔陶瓷的物相图；
图 7 为由实施例 4 所得多孔陶瓷的物相图；
图 8 为由实施例 5 所得多孔陶瓷的物相图；
图 9 为多孔陶瓷的生产工艺流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，下面结合具体实施 例对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明以粉煤灰为主要原料，以碳粉为造孔剂，添加少量高岭土和钾长石为烧结助 剂。本发明方法的工艺流程图如图 9 所示。粉煤灰的化学成分，见表 1。碳粉的化学成分主要有固定碳、挥发性成分、灰分、硫分等。高岭土和钾长石为化学试剂，高岭土的主要成分为 Al2O3·2SiO2·2H2O，钾长石的主要成分为 64.7wt.% SiO2、18.4 wt.% Al2O3、16.9wt.% K2O。
。
实施例1
具体步骤：
(1)粉煤灰、碳粉、钾长石、高岭土四种物料按照质量比 90:5:4.2:0.8（90%︰5%︰4.2%︰0.8%）取 100g；
(2)用震荡球磨机将四种渣料粉碎，混合，使粒径为 30μm，混合时间为 40s；
(3)将混合均匀的粉体放置于模具之中模压成型，成型压力为 41MPa，保压时间为60s；
(4)将成形后样品放置于马弗炉内进行高温无压烧结，升温速率：室温至 200 ℃，1℃/min，200 ℃至 1100 ℃，5 ℃/min，烧结温度为 1100 ℃，保温时间为 120 min，烧结完成，静置于马弗炉内自然冷却；
(5)样品进行后续分析测试。
经测定，由实施例 1 所得多孔陶瓷的烧蚀率为 18.16%， 吸水率为 24.41%，体积密度为 1.59g/cm3，总气孔率为 38.82%，最小孔径为 0.55μm，平均孔径为 1.04μm，气体渗透率为 14.48 cm3/(cm2·s·bar) ，氮气通量为 74.65 m3/m2·h。
由实施例 1 所得多孔陶瓷的扫描电镜微观形貌图见图 1，所得多孔陶瓷的物相图见图6。
实施例2
具体步骤：
(1)粉煤灰、碳粉、钾长石、高岭土四种物料按照质量比 80:10:8.4:1.6（80%︰10%︰8.4%︰1.6%）取 100g；
(2)用震荡球磨机将四种渣料进行粉碎，混合，使粒径为 35μm，混合时间为 40s；
(3)将混合均匀的粉体放置于模具之中模压成型，成型压力为 120MPa，保压时间为60s；
(4)将成形后样品放置于马弗炉内进行高温无压烧结，升温速率：室温至 200 ℃，1℃/min，200℃至 1100℃，5℃/min，烧结温度为 1100 ℃，保温时间为120 min，烧结完成，静置于马弗炉内自然冷却；
(5)样品进行后续分析测试。
经测定，由实施例 2 所得多孔陶瓷的烧蚀率为 20.56%，吸水率为 25.75%，体积密度为 1.55 g/cm3，总气孔率为 40.00%，最小孔径为 0.58μm，平均孔径为 1.05μm，气体渗透率为 16.38 cm3/(cm2·s·bar)，氮气通量为 83.00 m3/m2·h。
由实施例 2 所得多孔陶瓷的扫描电镜微观形貌图见图 2。
实施例3
具体步骤：
(1)粉煤灰、碳粉、钾长石、高岭土四种物料按照质量比70:15:12.5:2.5（70%︰15%︰12.5%︰2.5%）取 200g；
(2)用震荡球磨机将四种渣料进行粉碎，混合，使粒径为 35μm，混合时间为 40s；
(3)将混合均匀的粉体放置于模具之中模压成型，成型压力为 41MPa，保压时间为60s；
(4)将成形后样品放置于马弗炉内进行高温无压烧结，升温速率：室温至 200 ℃，1℃/min，200℃至 1100 ℃，5℃/min，烧结温度为 1100℃，保温时间为 120min，烧结完成，静置于马弗炉内自然冷却；
(5)样品进行后续分析测试。
经测定，由实施例 3 所得多孔陶瓷的烧蚀率为 20.75%，吸水率为 25.59%，体积密度为 1.55 g/cm3，总气孔率为 39.72%，最小孔径为 0.68μm，平均孔径 为 1.20μm，气体渗透率为 19.88 cm3/(cm2·s·bar)，氮气通量为 86.99 m3/m2·h。
由实施例 3 所得多孔陶瓷的扫描电镜微观形貌图见图 3。
实施例 4
具体步骤：
(1)粉煤灰、碳粉、钾长石、高岭土四种物料按照质量比 50:25:20.8:4.2（50%︰25%︰20.8%︰4.2%）取 100g；
(2)用震荡球磨机将四种渣料进行粉碎，混合，使粒径为 35μm，混合时间为 40s；
(3)将混合均匀的粉体放置于模具之中模压成型，成型压力为25MPa，保压时间为 60s；
(4)将成形后样品放置于马弗炉内进行高温无压烧结，升温速率：室温至 200 ℃，1℃/min，200 ℃至 1100 ℃，5 ℃/min，烧结温度为 1100 ℃，保温时间为 120 min，烧结完成，静置于马弗炉内自然冷却；
(5)样品进行后续分析测试。
经测定，由实施例 4 所得多孔陶瓷的烧蚀率 29.35%，吸水率为29.41%，体积密度为 1.46 g/cm3，总气孔率为 42.82%，最小孔径为 2.00μm，平均孔径 为 2.07μm，气体渗透率为 16.64 cm3/(cm2·s·bar)，氮气通量为 94.01 m3/m2·h。
由实施例 4 所得多孔陶瓷的扫描电镜微观形貌图见图 4，所得多孔陶瓷的物相图见图7。
实施例 5
具体步骤：
(1)粉煤灰、碳粉、钾长石、高岭土四种物料按照质量比30:50:16.7:3.3（30%︰50%︰16.7%︰3.3%）取 200g；
(2)用震荡球磨机将四种渣料进行粉碎，混合，使粒径为 35μm，混合时间为 40s；
(3)将混合均匀的粉体放置于模具之中模压成型，成型压力为 50MPa，保压时间为60s；
(4)将成形后样品放置于马弗炉内进行高温无压烧结，升温速率：室温至 200 ℃，1℃/min，200 ℃至 1100 ℃，5 ℃/min，烧结温度为 1100 ℃，保温时间为 120 min，烧结完成，静置于马弗炉内自然冷却；
(5)样品进行后续分析测试。
经测定，由实施例 5 所得多孔陶瓷的烧蚀率为 51.74%，吸水率为 50.98%，体积密度为 1.15 g/cm3，总气孔率为 82.57%，最小孔径为 5.97μm，平均孔径为 6.86μm，气体渗透 率为 82.57 cm3/(cm2·s·bar)，氮气通量为 297.71 m3/m2·h。
由实施例 5 所得多孔陶瓷的扫描电镜微观形貌图见图 4，所得多孔陶瓷的物相图见图8。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非用以限制本发明的权利范围。任何以本申请专利范围所涵盖的权利范围实施的技术方案，或者任何熟悉本领域的技术人员，利用上 述揭示的方法内容做出许多可能的变动和修饰的方案，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.如权利要求1所述的一种利用粉煤灰制备贯通气孔多孔陶瓷的方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
S1.配料：将粉煤灰、碳粉、钾长石、高岭土按质量比 30-90:5-50:3-30:0.5-8 配料；
S2.加工处理：将配好的料加工处理成粒径为 1μm -100μm 均匀混合粉；
S3.压制成型：将混合粉压制成型，成型压力为 10 MPa - 250 MPa，保压时间为 30s -60s；
S4.烧结：在升温速率为 1℃/min-6℃/min，烧结温度为 1000℃-1100℃，保温时间为60min - 480min 条件下烧结，随炉冷却，得多孔陶瓷。
2.如权利要求1所述的一种利用粉煤灰制备贯通气孔多孔陶瓷的方法，其特征在于，
步骤S1中，所述粉煤灰︰碳粉︰钾长石︰高岭土的质量比为40-80:10-40:8-22:1-6；
步骤S2中，所述加工处理方法为将粉煤灰、碳粉、高岭土和钾长石在混合前或混合过程中进行粉碎，所述粉煤灰、碳粉、高岭土和钾长石混合粉的粒径为 5μm -50μm。
3.如权利要求1所述的一种利用粉煤灰制备贯通气孔多孔陶瓷的方法，其特征在于，所述粉煤灰︰碳粉︰钾长石︰高岭土的质量比为 50:25:20:5。
4.如权利要求1所述的一种利用粉煤灰制备贯通气孔多孔陶瓷的方法，其特征在于，步骤S4中，所述保温时间为120min-240min，所述烧结方式为高温无压烧结。
5.如权利要求1所述的一种利用粉煤灰制备贯通气孔多孔陶瓷的方法，其特征在于，步骤S4中，所述升温方式具体为：室温至200℃，升温速率为1℃/min；200℃以上，升温速率为5℃/min。
6.如权利要求1所述的一种利用粉煤灰制备贯通气孔多孔陶瓷的方法，其特征在于，步骤S3中，所述压制成型方法包括但不限于冷等静压成型、模压成型。
7.如权利要求5所述的一种利用粉煤灰制备贯通气孔多孔陶瓷的方法，其特征在于，所述压制成型方法为模压成型，成型压力为40MPa-120MPa。
8.由权利要求1-7任一所述方法制备的一种贯通气孔多孔陶瓷，其特征在于，所述多孔陶瓷的总气孔率为38%-56%，体积密度为1.1g/cm3-1.6g/cm3，吸水率为24%-50%。
9.如权利要求8所述的一种贯通气孔多孔陶瓷，其特征在于，所述多孔陶瓷的总气孔率为38%-56%，体积密度为1.2g/cm3-1.6g/cm3，吸水率为30%-40%。
10.如权利要求8所述的一种贯通气孔多孔陶瓷，其特征在于，所述多孔陶瓷为贯通气孔型，可用于过滤。
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