CN110294633B - 多孔陶瓷以及气化渣制备多孔陶瓷的方法 - Google Patents

多孔陶瓷以及气化渣制备多孔陶瓷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及多孔陶瓷领域，公开了一种多孔陶瓷以及气化渣制备多孔陶瓷的方法，该方法包括：将气化渣与粘结剂、发泡剂、助剂、水玻璃混合，将得到的混合物挤压成型后进行煅烧，其中，所述粘结剂为膨润土、粘土、硼砂、石英粉、硅藻土、淀粉和高岭土中的至少一种，所述发泡剂为碳酸氢钠、碳酸铵和碳酸钠中的至少一种，所述助剂为炭粉和/或焦炭。本发明的方法工艺简单，成本较低，制品性能优良，可以大量消耗煤气化炉渣，实现了气化渣变废为宝；并且，本发明的方法制备的多孔陶瓷在满足气孔率和吸水率的情况下，具有较高的抗折强度，特别适用于制备对抗折强度要求高的多孔陶瓷。

Description

多孔陶瓷以及气化渣制备多孔陶瓷的方法
技术领域
本发明涉及多孔陶瓷领域，具体涉及一种气化渣制备多孔陶瓷的方法以及该方法制备的多孔陶瓷。
背景技术
气化渣是煤炭与添加剂在高温气化反应时的熔渣，其主要组成为氧化硅，氧化铝、氧化钙、氧化铁和残炭等，因其含炭量较高，松散度好，并且具有一定的热值，关于气化渣资源化利用的研究方向大部分都集中在二次燃烧领域。范家峰等(CN201210511610.9，一种煤化工气化渣的处理方法)公开了一种煤化工气化渣的处理方法，将气化渣和煤泥均匀混合后再加入白泥浆，之后将混合物输送到流化床锅炉内，通过流化床锅炉燃烧技术实现气化渣的综合利用。高继光等(节能与环保，2014年02期，水煤浆气化灰渣综合利用和效益分析)报道了气化渣的特性和处理方法，并对气化渣和煤泥混合后通过煤泥管道向锅炉输送燃烧进行了效益分析。
虽然气化渣二次燃烧可以回收其中的热量，但气化灰渣质地疏松，燃烧不完全，二次焚烧会形成扬析，造成新的污染。因此，也有部分学者将气化渣应用到无机多孔材料行业。张积耀等(CN102372496A)公开了一种气化渣与黏土、助熔剂和水等按一定比例混合造粒后进行焙烧制备陶粒的方法；赵永彬等(CN105130487A)公开了一种气化渣与粉煤灰、粘结剂、助熔剂、水等按一定比例混合进行焙烧制备过滤陶瓷的方法，其制品的密度1600-1700kg/m3，吸水率为30％，抗折强度为15MPa以上，0.2MPa下水通量为40000L/h·m2；方斌正等(CN104774023A)公开了一种气化渣与粉煤灰、钾长石、钠长石以及外加助剂等制备轻质陶粒的方法，其制品体积密度小于700kg/m3，筒压强度可高达10MPa以上。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的气化渣制备多孔陶瓷方法复杂、成本高、制备的多孔陶瓷抗折强度低的缺陷，提供一种多孔陶瓷以及气化渣制备多孔陶瓷的方法。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种气化渣制备多孔陶瓷的方法，其中，该方法包括：将气化渣与粘结剂、发泡剂、助剂、水玻璃混合，将得到的混合物挤压成型后进行煅烧，其中，所述粘结剂为膨润土、粘土、硼砂、石英粉、硅藻土、淀粉和高岭土中的至少一种，所述发泡剂为碳酸氢钠、碳酸铵和碳酸钠中的至少一种，所述助剂为炭粉和/或焦炭。
本发明第二方面提供由本发明的方法制备的多孔陶瓷。
本发明的气化渣制备多孔陶瓷的方法，工艺简单，成本较低，制品性能优良，具有较好的经济效益，同时可以大量消耗煤气化炉渣，有利用环境保护，实现了气化渣变废为宝，高值化利用的目的；并且，本发明的方法制备的多孔陶瓷在具有较高的气孔率和吸水率的同时还具有较高的抗折强度，本发明的方法尤其特别适用于制备对抗折强度要求高的多孔陶瓷。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明一方面提供一种气化渣制备多孔陶瓷的方法，其中，该方法包括：将气化渣与粘结剂、发泡剂、助剂、水玻璃混合，将得到的混合物挤压成型后进行煅烧，其中，所述粘结剂为膨润土、粘土、硼砂、石英粉、硅藻土、淀粉和高岭土中的至少一种，所述发泡剂为碳酸氢钠、碳酸铵和碳酸钠中的至少一种，所述助剂为炭粉和/或焦炭。
根据本发明的一种优选实施方式，所述混合的过程包括：先将气化渣与粘结剂、发泡剂、助剂混合，将得到的混合物料球磨至粒度为50-100微米后，再将水玻璃与球磨后物料混合。
本发明中，所述粘结剂优选为石英粉和/或硅藻土中的至少一种，所述发泡剂优选为碳酸氢钠和/或碳酸铵。
本发明中，优选地，所述水玻璃的模数为1-3。
本发明中，所述水玻璃的浓度可以为本领域的常规选择，优选地，所述水玻璃的波美度为30-40。
本发明中，所述粘结剂、发泡剂、助剂和水玻璃的用量虽然可以在较大范围内进行选择，但是，为了提高制备的多孔陶瓷的性能，优选地，以气化渣、粘结剂、发泡剂和助剂的总用量为基准，所述气化渣的用量为50-80重量％(例如，50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％)，粘结剂的用量为10-40重量％(例如，10重量％、15重量％、20重量％、25重量％、30重量％、35重量％、40重量％)，所述发泡剂和助剂的总用量为10-30重量％(例如，10重量％、15重量％、20重量％、25重量％、30重量％)；所述水玻璃的用量为气化渣、粘结剂、发泡剂和助剂的总用量的10-30重量％(例如，10重量％、15重量％、20重量％、25重量％、30重量％)。
本发明中，所述发泡剂与所述助剂的用量的重量比优选为1-10：1。
本发明中，优选地，以气化渣、粘结剂、发泡剂和助剂的总用量为基准，气化渣、粘结剂、发泡剂和助剂的用量之和为100重量％。
本发明中，所述成型的过程可以在模具中进行，所述模具可以为现有的用于制备多孔陶瓷的模具，例如，所述磨具的尺寸可以为60mm×12mm×10mm。
本发明中，所述成型的条件可以为现有的制备多孔陶瓷的成型过程的条件，优选地，所述成型的条件包括：压力为10-40Pa，时间为10-30min。
本发明中，所述焙烧的条件优选包括：温度为1050-1250℃(例如，1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃)，时间为2-6小时(例如，2小时、2.5小时、3小时、3.5小时、4小时、4.5小时、5小时、5.5小时、6小时)。
根据本发明的另一种优选实施方式，所述煅烧的过程包括：先以10-20℃/min(例如，10℃/min、12℃/min、14℃/min、16℃/min、18℃/min、20℃/min)的速度升温至300-600℃(例如，300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、、600℃)，保温0.5-2小时(例如，0.5小时、1小时、1.5小时、2小时)，再以5-10℃/min(例如，5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min、9℃/min、10℃/min)的速度升温至800-1000℃(例如，800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃)，保温1-3小时(例如，1小时、1.5小时、2小时、2.5小时、3小时)，再以2-5℃/min(例如，2℃/min、3℃/min、4℃/min、5℃/min)的速度升温至1050-1250℃(例如，1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃)，保温2-6小时(例如，2小时、2.5小时、3小时、3.5小时、4小时、4.5小时、5小时、5.5小时、6小时)。
本发明中，所述方法优选还包括：所述焙烧的过程结束后，以10-20℃/min的速度将体系降温至200-300℃，然后自然冷却。
本发明第二方面还提供了由本发明的方法制备的多孔陶瓷。该多孔陶瓷在具有较高的气孔率和吸水率的同时还具有较高的抗折强度。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，
气化渣来自宁煤集团宁东能源化工基地60万吨/年甲醇工艺；
抗折强度通过抗折试验机测试：
将试件对称的放置在支座辊轴上，调整加荷速度，使加压辊轴的下降速度为(10±1)mm/min。加压至试件破坏，记录试件的最大破坏荷载P2，精确至1N。试块的抗折强度按式1-1进行计算，每组试验样品的抗折强度取四块同种样品的平均值，精确至0.01MPa。
R＝3P2L/2bh2 1-1
式中：R—试件的抗折强度，单位：兆帕(MPa)；
P2—试件的破坏荷载，单位；牛顿(N)；
L—下支座辊轴中心间距，单位：毫米(mm)；
b—试件宽度，单位；毫米(mm)。
表观密度通过以下方法测得：
表观密度是指自然状态下单位体积下的材料质量，包含了材料内部的孔隙体积。在本试验中，分别选取三块试验样品，切割成规则的块状，测量试样的长、宽、高，计算出体积V，称量其烘干后的质量G0(精确至0.1g)，表观密度按照式(3-1)计算。每组试验制品的表观密度取三块同种样品的平均值，精确至1g/cm3。
ρ＝G0/V 1-2
ρ—样品表观密度，单位：cm3；
G0—试样干燥质量，单位：g；
V—试样体积，单位：cm3。
气孔率通过以下方法测得：
气孔率是指材料中孔隙体积占总体积的百分比。本试验采用通过测定试验样品的表观密度和密实状态下的密度，利用1-3式计算可得材料的孔隙率。
P＝1-ρ/ρs 1-3
P—气孔率，单位：％；
ρ—表观密度，单位：cm3；
ρs—密实状态下材料的密度，单位：cm3，试验中以材料的干燥粉末状密度为真密度来计算。
吸水率通过以下方法测得：
通常情况下建筑材料的吸水率是以样品浸水前后质量的变化百分比，即质量吸水率来表示。将试验样品切割成规则块状，在电子称上称量干燥试样的质量G0(精确至0.lg)。然后，试块搁置在水箱内，并用木条将试样架起，用重物压在试件上表面木条上，避免时间漂浮，保证试块距离水箱边壁及底部不少于25mm。往水箱内加入20℃±5℃的自来水，水面应高出试样25mm，浸泡时间为2h。2h后立即取出试样，将试样放在挤干水分的湿毛巾上，自由排水10min，然后用软聚氨酯泡沫塑料吸去试样表面吸附的残余水分，每个大面每次吸1min。吸去试样每面残余水分之前要用力拧出泡沫塑料中的水，且每一表面至少吸两次。最后，待试样各表面残余水分吸干后，立即称试样质量G1，精确至0.l g。
W＝(G1-G0)/G0*100％ 1-4
式中：W—试样体积吸水率，单位，％；
G0—试样干燥质量，单位：g；
G1—试样浸水后质量，单位：g。
实施例1
(1)分别量取质量为60g的气化渣、30g的石英粉(购自国药集团，牌号为20033918)、5g的碳酸铵和5g炭粉(购自国药集团，牌号为10006619)，放入球磨机进行混合磨料，取出后过300目筛子，未过筛的颗粒继续进行磨料，磨至粒度为50μm左右。
(2)取模数为1.0水玻璃溶液(波美度为35)20ml与磨后的混合料在模具中进行挤压成型，压力为20MPa，时间15min。
(3)将压好的样品放入马弗炉中进行焙烧，程序设定分为三段，第一段以10℃/min的速度升温至500℃，保温1小时；第二段以5℃/min的速度升温至1000℃，保温3小时；第三段为以3℃/min的速度升温至1200℃，保温时间为3小时；焙烧结束后，以20℃/min的速度将体系降温至300℃后，取出自然冷却，即制成多孔陶瓷。测试其抗折强度、体积密度、气孔率以及吸水率。结果如表1所示。
实施例2
(1)分别量取质量为50g的气化渣、40g的硅藻土(购自国药集团，牌号为20020628)、5g的碳酸氢钠和5g炭粉，放入球磨机进行混合磨料，取出后过300目筛子，未过筛的颗粒继续进行磨料，磨至粒度为50μm左右。
(2)取模数为2水玻璃溶液(波美度为40)30ml与磨后的混合料在模具中进行挤压成型，压力为10MPa，时间30min。
(3)将压好的样品放入马弗炉中进行焙烧，程序设定分为三段，第一段为以15℃/min的速度升温至600℃，保温0.5小时；第二段以8℃/min的速度升温至900℃，保温2小时；第三段为以2℃/min的速度升温至1250℃，保温时间为2小时；焙烧结束后，以15℃/min的速度将体系降温至250℃后，取出自然冷却，即制成多孔陶瓷。测试其抗折强度、体积密度、气孔率以及吸水率。结果如表1所示。
实施例3
(1)分别量取质量为75g的气化渣、10g的石英粉、10g的碳酸氢钠和5g焦炭(放入球磨机进行混合磨料，取出后过300目筛子，未过筛的颗粒继续进行磨料，磨至粒度为50μm左右。
(2)取模数为3水玻璃溶液(其中水玻璃为实验室粉煤灰与氢氧化钠制备，波美度为40)40ml与磨后的混合料在模具中进行挤压成型，压力为40MPa，时间10min。
(3)将压好的样品放入马弗炉中进行焙烧，程序设定分为三段，第一段为以20℃/min的速度升温至300℃，保温2小时；第二段为以10℃/min的速度升温至800℃，保温1小时；第三段为以5℃/min的速度升温至1050℃，保温时间为6小时；焙烧结束后，以10℃/min的速度将体系降温至200℃后，取出自然冷却，即制成多孔陶瓷。测试其抗折强度、体积密度、气孔率以及吸水率。结果如表1所示。
实施例4
按照实施例1的方法制备多孔陶瓷，不同的是，采用相同重量的高岭土(购自国药集团，牌号为20020528)代替石英粉。测试结果如表1所示。
实施例5
按照实施例1的方法制备多孔陶瓷，不同的是，采用相同重量的碳酸钠代替碳酸铵。测试结果如表1所示。
实施例6
按照实施例1的方法制备多孔陶瓷，不同的是，水玻璃的模数为3.5。测试结果如表1所示。
实施例7
按照实施例1的方法制备多孔陶瓷，不同的是，焙烧的过程中，不分阶段升温，即，将温度以10℃/min的速度直接升温至1200℃。测试结果如表1所示。
实施例8
按照实施例1的方法制备多孔陶瓷，不同的是，焙烧结束后，以30℃/min的速度将体系降温至300℃。测试结果如表1所示。
对比例1
按照实施例1的方法制备多孔陶瓷，不同的是，不加炭粉。测试结果如表1所示。
表1
抗折强度，MPa 表观密度，g/cm<sup>3</sup> 气孔率，％ 吸水率，％
实施例1 25.03 1.28 42.53 26.08
实施例2 26.74 1.24 43.75 26.91
实施例3 25.71 1.25 41.90 25.32
实施例4 28.23 1.43 38.25 23.86
实施例5 28.96 1.57 37.72 22.09
实施例6 34.12 1.75 24.22 18.30
实施例7 26.47 1.44 33.85 23.08
实施例8 29.36 1.52 32.17 22.83
对比例1 32.85 1.63 23.35 17.93
通过表1的结果可以看出，采用本发明方法制备的多孔陶瓷在具有较高的气孔率和吸水率的同时还具有较高的抗折强度。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种气化渣制备多孔陶瓷的方法，其特征在于，该方法包括：将气化渣与组分A、发泡剂、助剂、水玻璃混合，将得到的混合物挤压成型后进行焙烧，其中，所述组分A为石英粉、硅藻土和高岭土中的至少一种，所述发泡剂为碳酸氢钠、碳酸铵和碳酸钠中的至少一种，所述助剂为炭粉和/或焦炭；
其中，以气化渣、组分A、发泡剂和助剂的总用量为基准，所述气化渣的用量为50-75重量%，组分A的用量为10-40重量%，所述发泡剂和助剂的总用量为10-30重量%；所述水玻璃的用量为气化渣、组分A、发泡剂和助剂的总用量的10-30重量%；
所述焙烧的过程包括：先以10-20℃/min的速度升温至300-600℃，保温0.5-2小时，再以5-10℃/min的速度升温至800-1000℃，保温1-3小时，再以2-5℃/min的速度升温至1050-1250℃，保温2-6小时；
所述焙烧的过程结束后，以10-20℃/min的速度将体系降温至200-300℃，然后自然冷却。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述混合的过程包括：先将气化渣与组分A、发泡剂、助剂混合，将得到的混合物料球磨至粒度为50-100微米后，再将水玻璃与球磨后物料混合。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述组分A为石英粉和/或硅藻土，所述发泡剂为碳酸氢钠和/或碳酸铵。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述水玻璃的模数为1-3。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述成型的条件包括：压力为10-40Pa，时间为10-30min。
6.由权利要求1-5中任意一项所述的方法制备的多孔陶瓷。
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