CN110128105A - 铁尾矿基黑色太阳能吸热陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铁尾矿基黑色太阳能吸热陶瓷及其制备方法。该陶瓷基料的重量百分比组成为：铁尾矿70～85％、四氧化三铁5～26％、氧化铝1～3％、二氧化硅1～3％、钾长石1～3％、钠长石1～3％；铁尾矿的主要成分重量组成为：SiO2 44.12～44.90％、CaO 15.40～16.11％、MgO 14.34～14.78％、Fe2O3 7.23～7.90％、Al2O3 6.96～7.44％、TiO2 0.97～1.12％以及少量的P、MnO、Zn和Ni。该制备方法以铁尾矿、四氧化三铁、氧化铝、二氧化硅、钠长石和钾长石为主要原料，主要经过球磨、过筛、配料、干燥、混合、造粒、干压成型和烧结工艺后，即制得铁尾矿太阳能黑色吸热陶瓷材料。本发明能充分利用了铁尾矿固废资源，又以极低的成本及较简单的步骤方法实现黑色吸热陶瓷的生产。

Description

铁尾矿基黑色太阳能吸热陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷技术领域，具体涉及一种铁尾矿基黑色太阳能吸热陶瓷及其制备方法。
背景技术
由于工业与生活过程中消耗的能量巨大以及燃料燃烧导致的严重环境问题，因此传统的化石能源供应逐渐转向可再生能源供应，而在所有形式的可再生能源中，太阳能又有着丰富易得、清洁、且不会对环境产生噪音和污染等优点，所以大力发展太阳能显得极为重要。目前，生活和工业生产中太阳能吸热材料的需求量巨大，普遍通过太阳能集热器、太阳能跟踪器和巨型定日镜等来收集太阳能，以便使用。而全国很多地区空气污染严重，空气中含有大量对太阳能平板集热器膜层腐蚀的气体成分，导致传统集热器寿命降低；另一方面一些传统集热器中的铜管越来越薄，产品寿命及质量也大幅降低。
铁尾矿是铁矿石经过整套选矿工艺后而排出的固体废弃物。据统计，我国约有8000多个国营矿山以及数十万个乡镇集体矿山，堆存了大量尾矿，巨大的堆存量导致占地面积增加，占用了大量的农林用地，并且其中的有毒重金属不断地向环境迁移和释放，并产生沉淀富集，导致附近的土壤肥力降低和严重的水体污染，而且尾矿综合利用率极低，致使资源浪费。因此，合理利用铁尾矿已成为国内外研究重点。
吸热陶瓷以其高强度、耐腐蚀、耐高温与热稳定性好等诸多优点已广泛用于冶金机械行业的各种推钢式加热炉、高炉热风炉等；建材行业的各种陶瓷窑炉、各种玻璃窑炉等。虽然目前陶瓷吸热材料在太阳能领域应用与报道较少，但是因其相比于传统太阳能材料易被腐蚀、寿命短等缺点，具有显著优势，应用潜力巨大，国内外学者应予以高度重视。
目前，已有将尾矿尾砂等固废制备成陶瓷的报道，如：中国专利CN109053151A以铁尾矿、高炉水渣粉、高岭土、碳化硅为主要原料制备发泡陶瓷；中国专利CN103979936B以铁尾矿、粘土、二氧化硅、碳酸钙及氧化铝为主要原料制备一种铁尾矿远红外陶瓷材料；中国专利CN103980001B以铁尾矿、氧化铝、碳酸钙、碳酸钠、粘土及二氧化硅为主要原料制备一种铁尾矿多孔陶瓷材料；中国专利CN104446595B以稀土尾砂、铝矾土、莫来石粉为主要原料制备蜂窝陶瓷蓄热体。虽然上述专利在对尾矿及尾砂利用方面进行了研究，但就其应用方面，即在太阳能吸热功能方面却未见报道；中国专利CN106986662A及CN107010962A以氮化硅、氮化硼及硅化钛为主要原料，采用有机泡沫浸渍工艺制备一种太阳能吸热陶瓷，虽然其成品具有高比表面积及导热性较好，但其烧结温度较高，抗压强度低，制备过程工艺复杂且条件苛刻，制备时间较长，不利于工业化生产。
发明内容
本发明是为了解决大量铁尾矿的废弃堆存以及现有技术中在陶瓷领域利用率低的问题，并且针对目前太阳能吸热陶瓷存在的技术问题，而提出的一种铁尾矿基黑色太阳能吸热陶瓷及其制备方法。目的在于充分利用了铁尾矿固废资源，又以极低的成本及较简单的步骤方法实现黑色吸热陶瓷的生产。
本发明针对上述问题，采取了下述技术方案：提供一种铁尾矿基黑色太阳能吸热陶瓷，其特征在于所述陶瓷基料的重量百分比组成为：铁尾矿70～85％、四氧化三铁5～26％、氧化铝1～3％、二氧化硅1～3％、钾长石1～3％、钠长石1～3％，各组分之和为100％；所述基料的粒度不大于240目。
一种上述陶瓷的制备方法，将所述铁尾矿球磨过筛；后加入剩余几种基料及去离子水混合并持续搅拌均匀；将混料干燥后取出球磨过筛，再加入黏合剂造粒；后干压成型，在1150～1200℃下烧成，保温2h，获得吸热陶瓷。
具体步骤：
A、将铁尾矿与去离子水(去离子水的重量为铁尾矿的0.7～1.8倍)放入球磨机中球磨100～180min，球磨后过240目筛；
B、将步骤A中的混合物与100℃条件下烘干2～3h；
C、取重量70～85％步骤B中得到的铁尾矿粉末、再加入重量5～26％的四氧化三铁、1～3％的氧化铝、1～3％的二氧化硅、1～3％的钾长石、1～3％的钠长石，混合球磨30～60min；
D、向步骤C中的混料中加入基料总重量6％的黏合剂，混合并搅拌20min；
E、将步骤D中的搅拌后的混料压制成型，制得陶瓷坯体，再将坯体放入烧结炉中烧结，即制得铁尾矿太阳能吸热陶瓷。
所述步骤E中压制成型的压力为30MPa，并保压1.5～3min。
其烧结工艺为：第一阶段：室温～100℃，升温速率为2～6℃/min；第二阶段：100℃保温30min；第三阶段：150℃～1000℃，升温速率为2～6℃/min；第四阶段：1000℃保温30min；第五阶段：1000℃～烧结温度，升温速率为2～6℃/min；第六阶段：烧结温度，保温1-2h；第七阶段为：随炉冷却至室温。
所述黏合剂为聚乙烯醇、聚乙酸乙酯、甲基纤维素、石蜡中的任一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明制备的吸热陶瓷以铁尾矿作为主要原料(铁尾矿在原料中占比最高达85％)，大幅降低了生产成本，极大程度的解决了目前铁尾矿对环境污染过于严重的问题，提高了铁尾矿综合利用率；并且制作工艺简单，烧成温度较低，利于产业化，完全符合我国可持续发展战略以及环保方面的要求。
本发明配方中采用四氧化三铁，增加红外发射率，降低陶瓷白度，同时有助于增加抗压强度；二氧化硅，是陶瓷材料的主要成分，可降低陶瓷可塑性，降低烧结后的收缩率；长石，作熔剂，有助于降低烧结温度。
本发明可满足大多数太阳能装置中对吸热材料的性能要求，如高红外吸收率、高抗压强度以及良好的储热密度与抗热震性，相比于一些传统太阳能吸热材料(比如铜管，铝合金、铜铝复合材料等)本发明主要原料为铁尾矿，价格低廉且环保、制备工艺简单，并为铁尾矿的综合利用提供了一个有效的思路，且本发明的陶瓷材料防水、耐腐蚀、硬度高(最高抗压强度达98MPa)、使用寿命长，完全可以应用生产代替部分吸热材料，能适用于工业化生产。
附图说明
图1为本发明为实施例3制得的铁尾矿基黑色太阳能吸热陶瓷的XRD图谱；
图2为本发明为实施例4制得的铁尾矿基黑色太阳能吸热陶瓷的红外发射图。
具体实施方式
为了使本发明更加通俗易懂，下文将结合实施例及附图进一步阐述本发明。
本发明设计的一种铁尾矿基黑色太阳能吸热陶瓷，主要以铁尾矿、四氧化三铁、氧化铝、二氧化硅、钠长石和钾长石为主要原料，将所述铁尾矿球磨过筛；后加入剩余几种基料及去离子水混合并持续搅拌均匀；将混料干燥后取出球磨过筛，再加入黏合剂造粒；后干压成型，在1150～1200℃下烧成，保温2h，获得吸热陶瓷。
所述陶瓷基料的重量百分比组成为：铁尾矿70～85％、四氧化三铁5～26％、氧化铝1～3％、二氧化硅1～3％、钾长石1～3％、钠长石1～3％，各组分之和为100％；
所述铁尾矿成分有SiO2 44.12～44.90％、CaO 15.40～16.11％、MgO 14.34～14.78％、Fe2O37.23～7.90％、Al2O3 6.96～7.44％、TiO2 0.97～1.12％以及少量的P、MnO、Zn和Ni，各组分之和为100％；
所述基料(指铁尾矿、四氧化三铁、氧化铝、二氧化硅、钠长石和钾长石)的粒度均为240目；所述黏合剂为聚乙烯醇、聚乙酸乙酯、石蜡中的一种。
将实施例的吸热陶瓷进行性能测试，如XRD表征、吸热性测试、抗拉抗压性能测试，XRD表征可知，本申请的所述陶瓷成分为普通辉石及微量赤铁矿，说明最终能制备出陶瓷的有效成分，具体结果见附图1。
吸热性测试过程是：
将吸热陶瓷制成500mm×500mm×500mm空心立方体样式，外层包裹密闭透明玻璃盖板，玻璃盖板与陶瓷材料间空气层高度为30mm，其余空隙用聚氨酯泡沫填满，将常温日用水装入陶瓷立方体中正南放置于太阳光下,倾角为44°(该实验位于北纬39°05＇,结合国标GB/T4271—2007中阐述的“集热器采光面与水平面的倾角为当地维度±5°”，所以将倾角设置为44°)，测量陶瓷的平均日太阳辐射量、平均温度及白天阳光照射7小时的条件下，测量日照过程中最高水温。
实施例1
一种铁尾矿基黑色太阳能吸热陶瓷及其制备方法，本实施例采用如下制备方法：
1、将铁尾矿球磨，球磨机转速为1000r/min，球磨3h，球磨后过240目筛，获得铁尾矿粉体；
2、将1中获得的铁尾矿粉体与四氧化三铁、氧化铝、二氧化硅、钠长石、钾长石、去离子水混合搅拌60min，搅拌后的混合物料于100℃烘箱中烘干，过240目筛(其中各成分重量百分比为铁尾矿粉体85％、二氧化硅2％、四氧化三铁5％、氧化铝2％、钠长石为3％、钾长石为3％)。
3、将2中过筛后的混料中加入总基料重量6％的黏合剂，而后研磨。黏合剂为聚乙烯醇。
4、将3中研磨后的混合粉体在30MPa的压力下干压成型，制得陶瓷胚体。
5、将4中制得的陶瓷胚体放入烧结炉中烧结(1000℃以下升温速率为5℃/min，1000℃以上升温速率为3℃/min)，最终烧结温度为1150℃，保温2h，最终制得黑色吸热陶瓷。
本实施例所制备的吸热陶瓷经测试：5～20μm波长范围内平均红外发射率为0.82；储热密度为612.5MJ/m3；抗压强度95MPa；30次抗热震后表面无裂纹(室温到500℃)；将此实施例制成500mm×500mm×500mm空心立方体样式，外层包裹密闭透明玻璃盖板，玻璃盖板与陶瓷材料间空气层高度为30mm，其余空隙用聚氨酯泡沫填满，将常温日用水装入陶瓷立方体中正南放置于太阳光下,倾角为44°，在平均日太阳辐射量为20.32MJ/m2、平均温度为12.2℃、白天阳光照射7小时的条件下，装置中水温最高可达44.5℃。
实施例2
一种铁尾矿基黑色太阳能吸热陶瓷及其制备方法，本实施例采用如下制备方法：
1、将铁尾矿球磨，球磨机转速为1000r/min，球磨3h，球磨后过240目筛，获得铁尾矿粉体；
2、将1中获得的铁尾矿粉体与四氧化三铁、氧化铝、二氧化硅、钠长石、钾长石、去离子水混合搅拌60min，搅拌后的混合物料于100℃烘箱中烘干，过240目筛(其中各成分重量百分比为铁尾矿粉体78％、二氧化硅3％、四氧化三铁10％、氧化铝3％、钠长石为3％、钾长石为3％)。
3、将2中过筛后的混料中加入总基料重量6％的黏合剂，而后研磨，黏合剂为石蜡。
4、将3中研磨后的混合粉体在30MPa的压力下干压成型，制得陶瓷胚体。
5、将4中制得的陶瓷胚体放入烧结炉中烧结(1000℃以下升温速率为5℃/min，1000℃以上升温速率为3℃/min)，最终烧结温度为1160℃，保温2h，最终制得陶瓷蓄热材料。
本实施例所制备的铁尾矿黑色吸热陶瓷经测试：5～20μm波长范围内平均红外发射率为0.81；储热密度为603.5MJ/m3；抗压强度92MPa；30次抗热震后表面无裂纹(室温到500℃)；将此实施例制成500mm×500mm×500mm空心立方体样式，外层包裹密闭透明玻璃盖板，玻璃盖板与陶瓷材料间空气层高度为30mm，其余空隙用聚氨酯泡沫填满，将常温日用水装入陶瓷立方体中正南放置于太阳光下,倾角为44°，在平均日太阳辐射量为18.93MJ/m2、平均温度为11.7℃、白天阳光照射7小时的条件下，装置中水温最高可达43.8℃。
实施例3
一种铁尾矿基黑色太阳能吸热陶瓷及其制备方法，本实施例采用如下制备方法：
1、将铁尾矿球磨，球磨机转速为1000r/min，球磨3h，球磨后过240目筛，获得铁尾矿粉体。
2、将1中获得的铁尾矿粉体与四氧化三铁、氧化铝、二氧化硅、钠长石、钾长石、去离子水混合搅拌60min，搅拌后的混合物料于100℃烘箱中烘干，过240目筛(其中各成分重量百分比为铁尾矿粉体73％、二氧化硅3％、四氧化三铁17％、氧化铝1％、钠长石为3％、钾长石为3％，各组分之和为100％)。
3、将2中过筛后的混料中加入6％的黏合剂，而后研磨。
4、将3中研磨后的混合粉体在30MPa的压力下干压成型，制得陶瓷胚体。
5、将4中制得的陶瓷胚体放入烧结炉中烧结(1000℃以下升温速率为5℃/min，1000℃以上升温速率为3℃/min)，最终烧结温度为1180℃，保温2h，最终制得黑色吸热陶瓷。
本实施例所制备的黑色吸热陶瓷经测试：5～20μm波长范围内平均红外发射率为0.81；储热密度为588.3MJ/m3；抗压强度96MPa；30次抗热震后表面无裂纹(室温到500℃)；将此实施例制成500mm×500mm×500mm空心立方体样式，外层包裹密闭透明玻璃盖板，玻璃盖板与陶瓷材料间空气层高度为30mm，其余空隙用聚氨酯泡沫填满，将常温日用水装入陶瓷立方体中正南放置于太阳光下,倾角为44°，在平均日太阳辐射量为18.55MJ/m2、平均温度为9.6℃、白天阳光照射7小时的条件下，装置中水温最高可达44.2℃。
实施例4
一种铁尾矿基黑色太阳能吸热陶瓷及其制备方法，本实施例采用如下制备方法：
1、将铁尾矿球磨，球磨机转速为1000r/min，球磨3h，球磨后过240目筛，获得铁尾矿粉体；
2、将1中获得的铁尾矿粉体与四氧化三铁、氧化铝、二氧化硅、钠长石、钾长石、去离子水混合搅拌60min，搅拌后的混合物料于100℃烘箱中烘干，过240目筛(其中各成分重量百分比为铁尾矿粉体70％、二氧化硅1％、四氧化三铁26％、氧化铝1％、钠长石为1％、钾长石为1％，各组分之和为100％)。
3、将2中过筛后的混料中加入6％的黏合剂，而后研磨。
4、将3中研磨后的混合粉体在30MPa的压力下干压成型，制得陶瓷胚体。
5、将4中制得的陶瓷胚体放入烧结炉中烧结(1000℃以下升温速率为5℃/min，1000℃以上升温速率为3℃/min)，最终烧结温度为1180℃，保温2h，最终制得黑色吸热陶瓷。
本实施例所制备的铁尾矿黑色吸热陶瓷经测试：5～20μm波长范围内平均红外发射率为0.85；储热密度为653.6MJ/m3；抗压强度98MPa；30次抗热震后表面无裂纹(室温到500℃)；将此实施例制成500mm×500mm×500mm空心立方体样式，外层包裹密闭透明玻璃盖板，玻璃盖板与陶瓷材料间空气层高度为30mm，其余空隙用聚氨酯泡沫填满，将常温日用水装入陶瓷立方体中正南放置于太阳光下,倾角为44°，在平均日太阳辐射量为17.56MJ/m2、平均温度为10.2℃、白天阳光照射7小时的条件下，装置中水温最高可达43.6℃。
本发明的吸热陶瓷在进行吸热性能测试时，其平均日太阳辐射量为17.56～20.32MJ/m2，平均温度为9.6～12.2℃，完全能满足吸热材料的性能要求。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (7)

1.一种铁尾矿基黑色太阳能吸热陶瓷，其特征在于，所述陶瓷基料的重量百分比组成为：铁尾矿70～85%、四氧化三铁5～26%、氧化铝1～3%、二氧化硅1～3%、钾长石1～3%、钠长石1～3%，各组分之和为100%。
2.根据权利要求1所述的铁尾矿基黑色太阳能吸热陶瓷，其特征在于，所述吸热陶瓷成分为普通辉石及微量赤铁矿。
3.根据权利要求1所述的铁尾矿基黑色太阳能吸热陶瓷，其特征在于，所述基料的粒度不大于240目。
4.根据权利要求1所述的铁尾矿基黑色太阳能吸热陶瓷，其特征在于，所述铁尾矿成分有SiO2 44.12～44.90%、CaO 15.40～16.11%、MgO 14.34～14.78%、Fe2O3 7.23～7.90%、Al2O3 6.96～7.44%、TiO2 0.97～1.12%以及少量的P、MnO、Zn和Ni，各组分之和为100%。
5.一种权利要求1-4任一所述的吸热陶瓷的制备方法，其特征在于，该方法的步骤是：
A、将铁尾矿与去离子水放入球磨机中球磨100～180min，球磨后过240目筛；
B、将步骤A中的混合物与100℃条件下烘干2～3h；
C、取重量百分比70～85%的步骤B中得到的铁尾矿粉末、再加入重量百分比5～26%的四氧化三铁、1～3%的氧化铝、1～3%的二氧化硅、1～3%的钾长石、1～3%的钠长石，混合球磨30～60min；
D、向步骤C中的混料中加入基料总重量6%的黏合剂，混合并搅拌20min；
E、将步骤D中的搅拌后的混料压制成型，制得陶瓷坯体，再将坯体放入烧结炉中烧结，即制得铁尾矿太阳能吸热陶瓷；
其烧结工艺为：第一阶段：室温～100℃，升温速率为2～6℃/min；第二阶段：100℃保温30min；第三阶段：150℃～1000℃，升温速率为2～6℃/min；第四阶段：1000℃保温30min；第五阶段：1000℃～烧结温度，升温速率为2～6℃/min；第六阶段：烧结温度，保温1-2h；第七阶段为：随炉冷却至室温。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤E中压制成型的压力为30MPa，并保压1.5～3min。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述黏合剂为聚乙烯醇、聚乙酸乙酯、甲基纤维素、石蜡中的任意一种。
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