CN113845372A - 一种陶瓷气泡发生器及加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种陶瓷气泡发生器及加工方法，主要包括陶瓷圆管、陶瓷圆板以及方形管，所述陶瓷圆管的管壁设有前端导气孔，陶瓷圆管的上下两端的管口处均盖有一块陶瓷圆板，两块所述陶瓷圆板设有若干位置与大小相对应的方形孔，所对应的方形孔之间均通过一个尺寸与方形孔相适应的方形管连通。加工方法采用“分步制备、整体组装、一次烧结”的方式制备陶瓷气泡发生器，添加复合粒径PS微球试样的内部，有效增大了发泡面积、减缓了发泡材料的堵塞，为制备高性能陶瓷发泡材料提供了参考，此外，本发明采用的复合粒径为5/10μm，试样基本性能良好，产生的气泡数量较多且气泡平均尺寸仅有25.86μm，能很好地满足气浮要求。

Description

一种陶瓷气泡发生器及加工方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷气泡发生器及加工方法。
背景技术
气浮技术是将液体中的微小悬浮物与气泡结合成复合物，并使其随气泡上升至液体表面，从而达到分离、除杂的一种净化技术。该技术由于操作简便、分离效率高，被广泛应用于生物、化工、选矿及污水处理等众多领域。其中微气泡制造是气浮技术的关键，它直接影响气泡质量进而影响气浮分离效率，通常认为气泡尺寸在10～80μm时气浮分离效率最高。目前常用的微气泡制造方法有溶气析出、电解析出和引气制造等方法。相比前两种方法而言，微孔介质引气制造气泡不仅结构简单、能耗低而且微气泡尺寸小、均匀性好，因而受到科研人员的广泛关注。
引气微孔介质发泡的核心在于微孔介质材料的制备，通常采用冶金粉末、陶瓷或塑料为原料，掺入一定的添加剂(如造孔剂、增塑剂、烧结助剂等)然后在高温下烧制而成。其中微孔介质材料的孔隙率、孔结构、渗透通量等性能是影响微孔介质发泡性能的关键因素。
目前国内外学者已针对微孔介质发泡进行了大量实验研究。如KUKIZAKI等利用“内管走水-外环充气”结构的微孔介质发泡器研究了水质、SPG膜(shirasuporous glass公司的无机膜)孔径及工况参数对微细气泡粒径分布的影响；OKADA等以有机纤维为造孔剂，探究了莫来石陶瓷膜厚度、孔结构等性能与微气泡生成之间的关系；SADATOMI等开发了“内部孔板节流降压-环空微孔介质负压吸气”管式微细气泡发生器；徐振华等以管内外压差为动力源，推动气体从金属微孔管上流出形成微气泡；吴胜军等在此基础上以陶瓷膜管为研究对象，发现其性能优于金属膜管；陈家庆等在国内首次实现了大流量下管式微孔介质气泡发生器气泡粒径分布特性的在线检测。
纵观国内外的研究工作，除Okada等探究了有机纤维造孔剂对材料孔结构和发泡性能的影响外，其余研究都是基于成品微孔介质下探究不同操作参数对微气泡产生的影响，因而真正探究基体材料制备参数与微气泡产生之间存在何种关系的研究非常少见。此外，Okada等仅是研究了有机纤维对莫来石陶瓷孔结构的影响，并未对影响材料孔隙率和孔结构的机理进行深入讨论，且他们实验中采用的陶瓷膜仅为常规结构的圆柱型，在矿浆浓度较大的情况下容易造成堵塞和发泡不均。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种陶瓷气泡发生器及加工方法。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种陶瓷气泡发生器，主要包括陶瓷圆管、陶瓷圆板以及方形管，所述陶瓷圆管的管壁设有前端导气孔，陶瓷圆管的上下两端的管口处均盖有一块陶瓷圆板，两块所述陶瓷圆板设有若干位置与大小相对应的方形孔，所对应的方形孔之间均通过一个尺寸与方形孔相适应的方形管连通。
进一步的，所述方形孔的数量为四个。
进一步的，所述前端导气孔为一个。
一种上述陶瓷气泡发生器的加工方法，包括以下步骤：
步骤一、按照下述重量组份比称取：堇青石粉体82-90份、聚苯乙烯微球8-12份、甲基纤维素体1.5-2.5份和二氧化钛粉体1.5-2.5份，混合均匀，得混合物料；其中，所述堇青石粉体粒径为38-50μm、聚苯乙烯微球粒径为5和10μm、甲基纤维素体粒径5-10μm、二氧化钛粉体为粒径5-10μm；所述5μm与10μm的聚苯乙烯微球的重量比为1:0.25-4；
步骤二、将混合物料加入35-45％的水，练泥后陈化16-20h，得到陶瓷泥料；
步骤三、分别按照陶瓷圆管、陶瓷圆板以及方形管的结构将上一步骤制得的陶瓷泥料于13-19MPa下压制成型，随后在80-120℃下于80-120℃下干燥10-14h，并在干燥时间达到2-3h时进行脱模，待干燥完成获得陶瓷圆管生坯、陶瓷圆板生坯和方形管生坯；
步骤四、在陶瓷泥料加入55-65％的水，混合均匀得到陶瓷浆料；
步骤五、将陶瓷圆管生坯、陶瓷圆板生坯和方形管生坯采用陶瓷浆料按照所述陶瓷气泡发生器的结构进行黏结组装，随后于1250-1350℃下烧结并保温0.8-1.2h，随炉冷却后，即得陶瓷气泡发生器。
进一步的，所述步骤一中，按照下述重量组份比称取：堇青石粉体86份、聚苯乙烯微球10份、甲基纤维素体2份和二氧化钛粉体2份，混合均匀，得混合物料；所述堇青石粉体为44μm、聚苯乙烯微球为5μm和10μm、甲基纤维素体5μm、二氧化钛粉体为15μm；所述5μm与10μm聚苯乙烯微球的重量比为1:1。
进一步的，所述步骤二中，将混合物料加入40％的水，练泥后陈化18h，得到陶瓷泥料。
进一步的，所述步骤三中，于100℃下干燥12h，并在干燥时间达到2-3h时进行脱模，待干燥完成获得陶瓷圆管生坯、陶瓷圆板生坯和方形管生坯。
8、如权利要求4所述的陶瓷气泡发生器的加工方法，其特征在于：所述步骤四中，将陶瓷泥料加入60％的水，混合均匀得到陶瓷浆料。
9、如权利要求4所述的陶瓷气泡发生器的加工方法，其特征在于：所述步骤五中，进行烧结的温度为1300℃，保温时长为1h。
本发明的有益效果在于：本发明以堇青石为发泡材料，通过采用“分步制备、整体组装、一次烧结”的方式制备了新型结构的陶瓷气泡发生器，有效增大了发泡面积、减缓了发泡材料的堵塞，并且通过改变聚苯乙烯(PS)微球粒径探究了陶瓷材料基本性能与发泡性能之间的关系，为制备高性能陶瓷发泡材料提供了参考。
附图说明
图1是本发明陶瓷气泡发生器的主视图；
图2是本发明陶瓷气泡发生器的俯视图；
图3是本发明陶瓷气泡发生器的A-A截面示意图；图4是本发明陶瓷气泡发生器的组件实物图；
图4是本发明实验证明中的实验装置工艺流程示意图；
图5是本发明实验证明中的C0、C2、C3、C6的XRD图谱；
图6是本发明实验证明中的堇青石陶瓷的扫描电镜图(分别是试样C0、C2、C3、C6的SEM图)；
图7是本发明实验证明中的孔棱在高倍数SEM下的微观形貌图(分别是试样C0、C2、C3、C6的SEM图)；
图8是本发明实验证明中的不同粒径造孔剂对气泡发生器孔隙率的影响图；
图9是本发明实验证明中的单一粒径及复合粒径造孔剂对气泡发生器孔隙率影响图；
图10是本发明实验证明中的造孔剂粒径对气泡发生器抗压强度的影响图；
图11是本发明实验证明中的造孔剂粒径对气泡发生器空气渗透速率的影响；
图12是本发明实验证明中的造孔剂粒径对孔径分布的影响图；
图13是本发明实验证明中的添加单一粒径及复合粒径造孔剂试样的发泡对比图；
图14是本发明实验证明中的添加不同复合粒径造孔剂试样的气泡图片；
图15是本发明实验证明中的造孔剂粒径对气泡直径累计分布的影响图；
图16是本发明实验证明中的造孔剂粒径对气泡直径分布的影响图。
图中：1-前端导气孔，2-陶瓷圆管，3-陶瓷圆板，4-方形孔，5-方形管。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
实施例1：一种陶瓷气泡发生器结构，构成如图1-3所示，包括有陶瓷圆管2，陶瓷圆管2上设有前端导气孔1，陶瓷圆管2两端设有陶瓷圆板3，两端的陶瓷圆板3经正方形孔4连接有方形管5。
所述的陶瓷气泡发生器的其制备方法，包括有以下步骤：
步骤一、按照下述重量组份比称取：堇青石粉体82份、聚苯乙烯微球8份、甲基纤维素体1.5份和二氧化钛粉体1.5份，混合均匀，得混合物料；所述堇青石粉体粒径为38-50μm、聚苯乙烯微球粒径为5和10μm、甲基纤维素体粒径5-10μm、二氧化钛粉体为粒径5-10μm；所述5μm与10μm聚苯乙烯微球的重量比为2:8；
步骤二、将混合物料加入35％的水练泥陈化16h，得到陶瓷泥料；
步骤三、将陶瓷泥料于13MPa下压制成型，于80℃下干燥10h，并在干燥2h时脱模可获得陶瓷圆管2(2)生坯、陶瓷圆板3(3)生坯和方形管5(5)生坯；
步骤四、将陶瓷泥料加入55％的水，混合均匀得到陶瓷浆料；
步骤五、将陶瓷圆管2(2)生坯、陶瓷圆板3(3)生坯和方形管5(5)生坯采用陶瓷浆料黏结组装，并于1250℃下烧结并保温0.8h，随炉冷却后，即得陶瓷气泡发生器。
实施例2：一种陶瓷气泡发生器结构，构成如图1-5所示，包括有陶瓷圆管2，陶瓷圆管2上设有前端导气孔1，陶瓷圆管2两端设有陶瓷圆板3，两端的陶瓷圆板3经正方形孔4连接有方形管5。
所述的陶瓷气泡发生器的其制备方法，包括有以下步骤：
步骤一、按照下述重量组份比称取：堇青石粉体86份、聚苯乙烯微球10份、甲基纤维素体2份和二氧化钛粉体2份，混合均匀，得混合物料；所述堇青石粉体为44μm、聚苯乙烯微球为5和10μm、甲基纤维素体5μm、二氧化钛粉体为10μm；所述5μm与10μm聚苯乙烯微球的重量比为1:1；
步骤二、将混合物料加入40％的水练泥陈化18h，得到陶瓷泥料；
步骤三、将陶瓷泥料于15.7MPa下压制成型，于100℃下干燥12h，并在干燥2-3h时脱模可获得陶瓷圆管2生坯、陶瓷圆板3生坯和方形管5生坯；
步骤四、将陶瓷泥料加入60％的水，混合均匀得到陶瓷浆料；
步骤五、将陶瓷圆管2生坯、陶瓷圆板3生坯和方形管5生坯采用陶瓷浆料黏结组装，并于1300℃下烧结并保温1h，随炉冷却后，即得陶瓷气泡发生器。
实施例3：一种陶瓷气泡发生器结构，构成如图1-5所示，包括有陶瓷圆管2，陶瓷圆管2上设有前端导气孔1，陶瓷圆管2两端设有陶瓷圆板3，两端的陶瓷圆板3经正方形孔4连接有方形管5。
所述的陶瓷气泡发生器的其制备方法，包括有以下步骤：
步骤一、按照下述重量组份比称取：堇青石粉体90份、聚苯乙烯微球12份、甲基纤维素体2.5份和二氧化钛粉体2.5份，混合均匀，得混合物料；所述堇青石粉体粒径为50μm、聚苯乙烯微球粒径为5和10μm、甲基纤维素体粒径5-10μm、二氧化钛粉体为粒径5-10μm；所述5μm与10μm聚苯乙烯微球的重量比为8:2；
步骤二、将混合物料加入45％的水练泥陈化20h，得到陶瓷泥料；
步骤三、将陶瓷泥料于19MPa下压制成型，于120℃下干燥14h，并在干燥2-3h时脱模可获得陶瓷圆管2生坯、陶瓷圆板3生坯和方形管5生坯；
步骤四、将陶瓷泥料加入65％的水，混合均匀得到陶瓷浆料；
步骤五、将陶瓷圆管2生坯、陶瓷圆板3生坯和方形管5生坯采用陶瓷浆料黏结组装，并于1350℃下烧结并保温1.2h，随炉冷却后，即得陶瓷气泡发生器。
为证明本发明的陶瓷气泡发生器的性能，开展性能实验，首先制备陶瓷气泡发生器，结构如图1-3所示，实验中采用工业级堇青石粉体为原料(含量92％、粒度325目)，以粒径为5、10、15μm的PS微球(聚苯乙烯微球)为造孔剂，按堇青石粉:PS微球:甲基纤维素(MC):TiO2＝86:10:2:2的质量比混合均匀，得混合物料(具体实验配方如下表所示)。混合物料加入约40％的水练泥陈化18h，得到陶瓷泥料，再将炼制好的得到陶瓷泥料于15.7MPa下压制成型，于100℃下干燥12h，并在干燥2-3h时脱模可获得陶瓷生坯(陶瓷圆管2生坯、陶瓷圆板3生坯和方形管5生坯)。此后将生坯组件用稀释后的陶瓷浆料(将陶瓷泥料加入55-65％的水，混合均匀得到陶瓷浆料)黏结组装，并于1300℃下烧结并保温1h，随炉冷却后可得到结构完整的陶瓷气泡发生器(陶瓷圆管2的外径为63mm，内径为53mm，管高为51mm，前端导气孔1的直径为15mm；陶瓷圆板3的直径为63mm；厚度为5mm，正方形孔4的边长为6mm；连接陶瓷圆板3的方形管5尺寸为6mm×6mm，壁厚2mm，柱高为61mm)。
试样配方如下：
Figure BDA0003333820460000081
Figure BDA0003333820460000091
工艺流程：实验中自行搭建的气泡测试平台如图4所示，该平台主要由气泡生成系统和气泡粒径检测系统两部分构成。压缩空气经流量计及压力表调节后通过前端导气孔1注入到气密性良好的发泡器内，发泡器外是物性参数可调的流体物料。由于发泡器内外存在一定压差，气体进入发泡器后被其内部所含的微孔离散形成微气泡，并逐渐上升至流体表面形成气泡层。陶瓷发泡器里镶入的方形管5有助于加速气液之间的流动并能在一定程度上缓解非水体条件下气泡发生器的堵塞。发泡器产生的微气泡由数码显微放大镜捕捉并放大拍摄，所拍摄的气泡图片通过电脑统计分析得到气泡粒径分布。
气泡发生器性能测试：采用日立S-3400N型扫描电子显微镜(scanning electronmicroscope，SEM)对样品进行形貌分析；采用PANalytical公司生产的X'PertPRO型X射线衍射仪(X-ray diffraction，XRD)分析样品的物相组成；采用阿基米德排水法测定样品的孔隙率(GB/T1966-1996)；采用自制设备测定样品的空气渗透速率；采用美国麦克公司的AutoPore IV 9500型压汞仪测试样品的孔径分布；采用数码显微摄像系统测试样品产生的气泡直径。
(1)物相分析：图5分别是试样C0、C2、C3、C6的XRD图谱。由图可见，造孔剂的添加与否并不会影响试样的衍射图谱，试样晶相结构均以堇青石相(包括低温堇青石和高温印度石)为主，并未观察到其他杂相的衍射峰；并且添加单一粒径造孔剂和添加复合粒径造孔剂试样的衍射图谱依然高度一致，这就说明实验中添加的PS微球造孔剂并不会与基体材料发生反应，能够在不改变材料晶相结构的条件下显著提高材料孔隙率。
(2)显微结构分析：图6(a)～(d)分别是试样C0、C2、C3、C6的SEM图，由图可以看出，试样表面均呈现出丰富的多孔结构，微孔形态以近圆形的小气孔为主。图8(a)中在没有添加造孔剂试时，样品表面较为致密，微孔孔径小，主要集中在2～5μm。图8(b)～5(d)中随着造孔剂的加入，材料变得疏松多孔，微孔数量急剧增多且平均粒径也逐步增大。从图8(d)中还可以看出，添加复合粒径造孔剂的试样，其内部所含的10μm及以上的微孔数目明显增多，这些大粒径孔洞离散分布在微孔群中，使得微孔孔径分布变宽，孔棱结构更加复杂。仔细观察还发现，孔棱并非完全致密，上面还分布着一定数量的小孔(如图9所示)，这些小孔是由生坯中颗粒间的间隙小孔在烧结过程中不完全致密化所形成，其直径通常小于造孔剂烧结脱除后留下的孔洞。因此为便于区分将孔棱上的小孔称之为微观小孔，而其余的大孔称之为宏观大孔。图9(a)中未添加造孔剂的试样，孔棱上微观小孔的数量较少且孔径非常小；而加入造孔剂后，试样中微观小孔的数量增多且孔径增大，其中添加复合造孔剂的试样表现最为明显。
(3)孔隙率分析：图8是造孔剂的粒径大小对气泡发生器孔隙率的影响图，从图中可以看到添加造孔剂能显著提高材料孔隙率。未添加造孔剂时材料孔隙率为45.39％，而当加入10％的粒径为5μm的PS微球后材料孔隙率提高了21.83％，且造孔剂粒径越大，孔隙率越高。这是源于当造孔剂含量相同时，小粒径造孔剂的数量大于大粒径造孔剂，其颗粒间架空堆积形成的孔洞更少、堆密度更高，因此材料孔隙率更低。
图9中对比了单一粒径及复合粒径造孔剂对气泡发生器孔隙率的影响，由图可以看到添加复合粒径造孔剂试样的孔隙率均优于对应的单一粒径造孔剂试样。理想状态下，假设粒子颗粒间堆积完全致密且造孔剂在脱除过程中不会引起材料体积收缩，则试样烧结后的孔体积应等于造孔剂的体积。但实际材料中还含有部分微观小孔并且宏观大孔在烧结过程中也会产生一定的体积收缩(微观小孔的体积收缩可忽略)，因此材料真实的孔隙率应按式(1)计算：
Figure BDA0003333820460000111
式中：V1为造孔剂的体积，cm3；ΔVo为宏观大孔在烧结过程的体积变化量，cm3；V2为除造孔剂外试样中其余粒子的总体积，cm3；V3为微观小孔的体积。
实验中由于添加单一粒径造孔剂和复合粒径造孔剂的试样其加入的造孔剂含量相同且为同一种造孔剂，因此两者的V1相等；此外两种试样的初始物料总量相等，因此V2也相等。所以决定两者孔隙率大小的主要因素是ΔV和V3。假设两种试样的宏观大孔在烧结过程中体积收缩量一样，即△VC＝ΔVS(下标C、S别表示Compound和Single)，则两种试样的孔隙率及孔隙率之差可表示为：
Figure BDA0003333820460000112
Figure BDA0003333820460000113
Figure BDA0003333820460000114
由于添加复合粒径造孔剂试样的微观小孔体积大于添加单一粒径造孔剂试样，因此上式中V3C-V3S>0，则Δε大于0，即添加复合粒径造孔剂试样的孔隙率大于添加单一粒径造孔剂试样。但在实际烧结过程中，在烧结颈长大阶段，宏观大孔会发生不同程度的体积收缩，使得ΔVC≠ΔVS。此时两种试样的孔隙率之差为：
Figure BDA0003333820460000121
从图6-7中可以明显看出添加复合粒径造孔剂的试样其内部宏观大孔的平均尺寸大于添加单一粒径造孔剂试样。在TUNCER等的研究表明在相同的烧结驱动力下，微孔尺寸越大其在烧结过程中产生的体积收缩量越小，即ΔVC＞ΔVS；同时V3C＞V3S，因此添加复合粒径造孔剂试样的孔隙率更高。
(4)抗压强度分析：图10反应了气泡发生器的抗压强度随造孔剂粒径的变化。从图中可以看出，当添加单一粒径造孔剂时，随造孔剂粒径的增大气泡发生器的抗压强度减小；当添加复合粒径造孔剂时，随两种复合造孔剂粒径的增大，抗压强度同样呈现下降趋势。其中添加复合粒径造孔剂试样的抗压强度较对应添加单一粒径造孔剂试样的低，尤其是添加粒径为10/15μm PS微球的试样，其抗压强度较添加10μm的试样下降了57.3％，较添加15μm的试样下降了56.3％。而添加粒径为5/10μm的PS微球的试样其抗压强度与对应添加5μm及10μm试样的非常接近，下降幅度仅为3.7％及1.5％。两者之所以出现如此大的区别，是由于10/15μm试样内部存在较多大粒径孔洞，这些孔洞使得材料周围承受的应力大幅降低，因而抗压强度显著减小。
(5)空气渗透速率分析：图11是造孔剂粒径对气泡发生器空气渗透速率的影响图，假设试样中的孔为圆形通孔且微孔均与试样表面垂直，则渗透通量可根据哈根-泊肃叶公式(式(6))表示：
Figure BDA0003333820460000122
式中：J为渗透通量，m·s-1；τ为曲折因子，为常数；r为孔半径，m；η为流体黏度，Pa·s；ΔP为膜压差，Pa；L为膜厚，m。该式中空气渗透速率与孔隙率成正比，而与曲折因子成反比。图13中除C4试样的空气渗透速率小于C3试样外，其余添加复合粒径造孔剂试样的空气渗透速率均优于添加单一粒径造孔剂的试样。上述C3、C4两组试样中，由于C3试样添加的造孔剂粒径更大，颗粒堆积形成的微观小孔数量更多且孔径更大，因此试样的孔隙率更高，从而空气渗透速率也更高。而C4试样中，由于添加的造孔剂尺寸更小且粒径分布不均，一方面会使粒子间的堆密度增大、架空形成的微观小孔数量减少，从而孔隙率减小；另一方面不规则的孔道结构会引起材料曲折因子增加，这一增一减的变化趋势，导致材料的空气渗透速率下降明显。
(6)孔径分布分析：图12是根据压汞法测定的部分试样的孔径分布，从图中可以看出试样的最可几直径均集中在5μm附近，其中添加造孔剂的试样相比于基础试样而言，在主要孔径分布区间内的峰值更大(即孔隙体积更大)且分布区间更宽。对比3组复合粒径造孔剂试样的孔径分布来看，复合粒径越大，试样的孔径分布越宽，粒径分布越分散。相比于添加单一粒径造孔剂试样而言，除C4试样外，其余两组试样的孔径分布均较添加15μm造孔剂试样的宽，这说明5/10μm试样在5μm附近处的孔径分布更集中，微孔均匀性更好。再结合加入的造孔剂粒径来看，扫描电镜及压汞分析中所测出的微孔主要孔径均小于实际加入的造孔剂粒径，这是宏观大孔在烧结过程中产生体积收缩的结果。
(7)发泡性能分析：实验中采用数码显微摄像系统对气泡粒径进行拍摄分析。该系统主要由照明系统、样品收集装置、图像采集系统和图像分析处理系统组成(实验工艺流程图见图6)。实验在膜内外压差、气液比及液流流量等参数一定的情况下(其中膜内外压差为0.04MPa、气液比为1:3、液流流量为0.8m3·h-1)，测定了1000mL的气液混合水中试样的发泡情况。在数据处理时选取每组试样不同部位的多张照片进行数据统计，并将总和的结果作为气泡的粒径分布。
图13对比了添加复合粒径造孔剂及其对应的单一粒径造孔剂试样的发泡情况。从图中可以看出，复合粒径造孔剂试样产生的微气泡数量最多，并且照片中除大量微细气泡外，还夹杂着少量大粒径气泡，这些大粒径气泡是由试样内部孔径分布不均所致。根据文献中大量经验公式可知气泡粒径和微介质孔径之间存在如式(7)的关系：
Figure BDA0003333820460000141
其中：RB为气泡半径，μm；γ为液体表面张力，N·m-1；RP为微孔介质孔半径，μm；ρ为液体密度，kg·m-3；g为重力加速度，m·s-2。从式中可以看出，在其他参数条件一定的情况下，微孔介质孔径越大所产生的微气泡粒径也越大。添加复合粒径造孔剂的试样由于孔隙率更大且内部存在的大粒径微孔更多，因此产生的气泡更密集且大粒径气泡的数量也更多。
从图14中可以看出随着两种复合造孔剂粒径的增大，气泡发生器产生的大粒径气泡的数量变多，气泡粒径分布范围变宽。当添加5/10μm的PS微球时，试样产生的气泡直径中超过50μm的气泡数量较少，大多集中在25μm附近；而当复合PS微球粒径增加到10/15μm时，图片中粒径在50μm及以上的气泡数量明显增多，并且气泡分布极不均匀，大粒径气泡零散的分布在气泡群中。
实验中对添加不同粒径造孔剂试样产生的气泡直径进行了统计，其结果如图14、15所示。从图14中可以看出气泡直径主要集中在15～45μm，其中添加单一粒径造孔剂的试样随造孔剂粒径的增加，气泡分布曲线向气泡粒径增大的方向移动且气泡分布曲线变宽，气泡平均直径由23.23增加到29.11μm；添加复合粒径造孔剂试样的气泡平均直径均比对应添加单一粒径造孔剂试样的高，其中添加10/15μm造孔剂的试样产生的气泡平均尺寸最大，为32.46μm。
从图13中可以看出，复合粒径造孔剂试样较单一粒径造孔剂试样而言，其中包含的大粒径气泡的数量比更大，且随复合粒径的增加该数量比也逐渐增加。当添加粒径为5/10μm的造孔剂时，直径在45μm及以上的气泡数量占比为5％；添加5/15μm的造孔剂时，该比例上升到17％；而当粒径变为10/15μm时，该数量比增加到21％。气浮中较大的气泡尺寸会降低气泡的比表面积，从而降低气泡与矿物接触的机会，进而影响气浮效率。
通过上述对比发现，添加复合粒径PS微球试样的孔隙率及空气渗透速率更高，能够产生更多的微气泡，但试样的抗压强度却更低，且产生的微气泡平均尺寸更大。通过对比也发现，3种复合粒径造孔剂中，当复合粒径为5/10μm时，试样的孔隙率及空气渗透速率比对应的单一粒径PS微球试样的高，并且抗压强度也没有明显下降的趋势，试样产生的气泡数量较多且气泡的平均尺寸也较小，能够很好地满足气浮要求。因此考虑各项因素，实验选取添加粒径为5/10μm的造孔剂，此时试样的孔隙率为54.87％，空气渗透速率为8.43m3·h-1·Pa-1·m-2，抗压强度为8.05MPa，产生气泡的平均尺寸为25.86μm。
综上所述，本发明以堇青石为原料，采用“分步制备、整体组装、一次烧结”的方式制备了比表面积大且能够减缓堵塞的新型气泡发生器，考察了单一粒径及复合粒径聚苯乙烯(PS)微球对气泡发生器的基本性能及发泡性能的影响，并讨论了两种粒径类型的PS微球对材料孔隙率的影响机理。结果表明：添加复合粒径PS微球试样的内部，孔棱上分布着更多微观小孔且宏观大孔在烧结过程中引起的体积收缩更小，这是引起材料孔隙率更高的主要原因，复合粒径造孔剂试样能产生更多的微细气泡，但气泡粒径分布范围变宽、平均尺寸变大，当复合粒径为5/10μm时，试样基本性能良好，产生的气泡数量较多且气泡平均尺寸仅有25.86μm，能很好地满足气浮要求的有益效果。

Claims (9)

1.一种陶瓷气泡发生器，其特征在于：主要包括陶瓷圆管、陶瓷圆板以及方形管，所述陶瓷圆管的管壁设有前端导气孔，陶瓷圆管的上下两端的管口处均盖有一块陶瓷圆板，两块所述陶瓷圆板设有若干位置与大小相对应的方形孔，所对应的方形孔之间均通过一个尺寸与方形孔相适应的方形管连通。
2.如权利要求1所述的陶瓷气泡发生器，其特征在于：所述方形孔的数量为四个。
3.如权利要求1所述的陶瓷气泡发生器，其特征在于：所述前端导气孔为一个。
4.如权利要求1-3任一所述的陶瓷气泡发生器的加工方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、按照下述重量组份比称取：堇青石粉体82-90份、聚苯乙烯微球8-12份、甲基纤维素体1.5-2.5份和二氧化钛粉体1.5-2.5份，混合均匀，得混合物料；其中，所述堇青石粉体粒径为38-50μm、聚苯乙烯微球粒径为5和10μm、甲基纤维素体粒径5-10μm、二氧化钛粉体为粒径5-10μm；所述5μm与10μm的聚苯乙烯微球的重量比为1:0.25-4；
步骤二、将混合物料加入35-45％的水，练泥后陈化16-20h，得到陶瓷泥料；
步骤三、分别按照陶瓷圆管、陶瓷圆板以及方形管的结构将上一步骤制得的陶瓷泥料于13-19MPa下压制成型，随后在80-120℃下于80-120℃下干燥10-14h，并在干燥时间达到2-3h时进行脱模，待干燥完成获得陶瓷圆管生坯、陶瓷圆板生坯和方形管生坯；
步骤四、在陶瓷泥料加入55-65％的水，混合均匀得到陶瓷浆料；
步骤五、将陶瓷圆管生坯、陶瓷圆板生坯和方形管生坯采用陶瓷浆料按照所述陶瓷气泡发生器的结构进行黏结组装，随后于1250-1350℃下烧结并保温0.8-1.2h，随炉冷却后，即得陶瓷气泡发生器。
5.如权利要求4所述的陶瓷气泡发生器的加工方法，其特征在于：所述步骤一中，按照下述重量组份比称取：堇青石粉体86份、聚苯乙烯微球10份、甲基纤维素体2份和二氧化钛粉体2份，混合均匀，得混合物料；所述堇青石粉体为44μm、聚苯乙烯微球为5μm和10μm、甲基纤维素体5μm、二氧化钛粉体为15μm；所述5μm与10μm聚苯乙烯微球的重量比为1:1。
6.如权利要求4所述的陶瓷气泡发生器的加工方法，其特征在于：所述步骤二中，将混合物料加入40％的水，练泥后陈化18h，得到陶瓷泥料。
7.如权利要求4所述的陶瓷气泡发生器的加工方法，其特征在于：所述步骤三中，于100℃下干燥12h，并在干燥时间达到2-3h时进行脱模，待干燥完成获得陶瓷圆管生坯、陶瓷圆板生坯和方形管生坯。
8.如权利要求4所述的陶瓷气泡发生器的加工方法，其特征在于：所述步骤四中，将陶瓷泥料加入60％的水，混合均匀得到陶瓷浆料。
9.如权利要求4所述的陶瓷气泡发生器的加工方法，其特征在于：所述步骤五中，进行烧结的温度为1300℃，保温时长为1h。
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