CN1434789A - 高孔隙率颗粒状陶瓷材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及含有SiO2以及Na2O和/或K2O的陶瓷材料，其特征在于，该材料具有大于60％的孔隙率并且多于70％的孔的孔径为0.1到15μm的特点的陶瓷材料。该陶瓷材料适合用作过滤材料，储水材料以及吸附剂。

Description

高孔隙率颗粒状陶瓷材料
本发明涉及基于SiO2和Na2O和/或K2O的陶瓷材料、一种生产该陶瓷材料的方法、以及特别是该陶瓷材料用作过滤材料、储存水和吸附剂的用途。
普遍知道多孔的陶瓷材料特别适合用作过滤材料，并且可以用作吸附剂。在这两种情况下，这些材料的孔隙率和/或大的表面积被应用。
因此，象沙子和砂砾被用作过滤介质的情况下，单个颗粒自身是没有孔隙的。孔隙是通过堆积它们实现的，对液体具有渗透性。由于这种堆积只能得到小的表面积，比起自身是多孔的颗粒材料来说需要更多数量的沙子和颗粒用于过滤。
另外，活性炭用作过滤材料是众所皆知的。活性炭有相对大的表面积，并且因此有良好的吸附特性。但是由于其很小的粒度，采用活性炭极可能导致堵塞。
此外，如聚乙烯的多孔性塑料可以被应用。但这些材料不能够耐受温度变化，并且在加热(到80℃或更高温度)时软化。
粘土矿物由于它们的多孔性和耐受温度变化性也适合用作过滤介质。但是，它们在过滤粘土颗粒过程中有可能疏松而导致滤液产生不良杂质。
前述另外的工艺陶瓷包括那些用于吸附和储存水的陶瓷，储存水主要是在颗粒表面引发水的表面张力是实现的。但是，储存水只是在接近室温时有效，因为在高的温度(40℃及以上)下，表面吸附的水的蒸发相对快。
膨胀粘土是一种同样用作储存水的多孔陶瓷，但是由于这些材料不具备高的孔隙率，相对于它们自身重量的吸附水的能力是较低的。
最后，多孔陶瓷不仅适合用作水的吸附，而且也吸附如细菌一样的大分子。如细菌一样的大分子的吸附需要的孔径至少为0.1μm。直至目前，基于Al2O3和SiO2的陶瓷材料已用于此目的。但是，这些材料缺乏高的孔隙率，这就限制了吸附的细菌数量。
本发明的目的包括生产有高吸附能力陶瓷材料，该陶瓷材料能因此而特别地适合用作过滤材料，用作吸附和储存水以及吸附如细菌一样的大分子。
上述目标是通过一种含SiO2和Na2O和/或K2O的、具有大于60％的孔隙率并且多于70％的孔的孔径为0.1到15μm的陶瓷材料得到解决的。
本发明陶瓷材料包含SiO2和Na2O和/或K2O。由于这种无机氧化物的成分，导致了该陶瓷材料耐热，并且即使在高温下也不分解。
本发明陶瓷材料具有大于60％的孔隙率，孔隙率是通过采用水银孔率计测得孔隙体积和采用氦比重瓶(helium pycnometer)测得真比重(固体比重)而试验确定的，并且由下式计算得到：
                P＝V/(1/S+V)·100％
其中P为孔隙率，S为真比重，以及V为孔隙体积。
本发明材料进一步限定为至少70％的孔的孔径为0.1到15μm。孔径分布通过采用水银孔率计测定。
此外，本发明陶瓷材料可以含Al2O3，以及含如Fe2O3、MgO和CaO的其他氧化物。
优选地，本发明陶瓷材料中多于95％的颗粒粒度为1到15μm，特别优选为5到12μm。粒度是通过测量颗粒确定的，比如采用游标卡尺测定。小于1mm的颗粒是非优选的，因为它们的采用可能引起压力损失的大大增加。粒度分布的上限来自大颗粒相对于体积的表面积减少的事实。
此外，本发明陶瓷材料优选的容积密度范围为0.2到1.0g/cm3，特别优选为0.3到0.5g/cm3。容积密度是在1升的容器中装入本发明陶瓷材料，然后，装满1升陶瓷材料的容器被称重，这样通过确定每升陶瓷材料的重量而确定的。
优选地，陶瓷材料进一步具有范围为350到1500m2/l的容积表面积。容积表面积是从陶瓷材料本身的表面积及陶瓷材料的容积密度的乘积(product)所得来的表面积，其中本发明陶瓷材料的表面积通过氮孔率计确定，并且吸附等温线根据BET测定方法(BET method)被分析。
本发明陶瓷材料按照包括以下几个步骤的方法被生产：
(a)将一种混合物造粒，该混合物包含：
按重量为1.0份的陶瓷原料
该陶瓷原料包含按重量超过40％的SiO2和按重量为0.5％
到10％的Na2O+K2O，
以及
按重量为0.5到1.5份的含水粘合剂，
该粘合剂含按水相对于水玻璃的重量比率范围为95∶5到55∶45的水和水玻璃。
(b)干燥和烧结步骤(a)中得到的颗粒。
本发明生产方法在下面相对于单独生产步骤而被更详尽地描述。
在步骤(a)中，一种含按重量超过40％的SiO2和按重量为0.5％的到10％的Na2O+K2O的陶瓷原料被采用。在优选的实施例中，该陶瓷原料含按重量为60％到90％的SiO2。此外，该陶瓷原料可以含Al2O3和如Fe2O3、MgO及CaO的其他氧化物。甚至，在一个优选的实施例中，该陶瓷原料含硅藻土。在一个特别优选的实施例中，该陶瓷原料是含按重量为70％到90％的SiO2、按重量为0.5％到10％的Na2O+K2O和按重量为4％到10％的Al2O3的硅藻土。
含水粘合剂作为步骤(a)中混合物的一种另外的成分被采用，该含水粘合剂含按水相对于水玻璃的重量比率范围为95∶5到55∶45、优选为75∶25的水和水玻璃，其中水玻璃可包含硅酸钠和/或硅酸钾以及/或硅酸钙。在一个特别优选的实施例中，水玻璃含按重量计为8％到1O％的Na2O，按重量为26％到32％的SiO2，其余为水。
造粒的混合物含按重量为1.0份的陶瓷原料和按重量为0.5份到1.5份的含水粘合剂。在特别优选的实施例中，陶瓷原料相对于含水粘合剂的比率范围为1∶0.8到1∶1.2，并且特别优选的范围为1∶0.9到1∶1.1。
含水粘合剂与陶瓷原料的混合物在一个造粒盘中被造粒，这样得到的95％颗粒的粒度优选为1到15mm、一个特别优选的粒度为5到12mm。颗粒的特性特别地可受造粒盘的角度设置(angular setup)、它的边高比，以及它的旋转速度的影响。
步骤(a)中得到的颗粒被干燥并且在步骤(b)中被烧结。在一个特别优选的实施例中，这些颗粒一开始由从室温到650℃的连续加热干燥，并且随后在650℃(初始温度)到1000℃-1200℃(最终温度)温度范围内被烧结。接着，在步骤(c)中颗粒被分级成1到15mm的粒度。分级是通过采用如线性振动筛或滚筒筛的机械筛分实现的。
由于其孔隙率高，本发明陶瓷材料适合用于液体、特别是水的过滤。
另外，陶瓷材料的高孔隙率可被开发用于储存水。根据这一点，本发明陶瓷材料能吸附超过它本身静重70％的水。由于其强的储存水特性，本发明陶瓷材料可以在例如热和干旱的地区被用于浇灌树木。储存的水可以很缓慢地释放到环境中而避免树木干旱。甚至，其他亲水性液体例如酒精也可以被本发明陶瓷材料吸附。
本发明陶瓷材料可以进一步用来吸附如细菌的大分子，此外，如具有相当大分子量的聚合物的类似大分子的吸附是可能的。下面本发明将由两个实施例被更详尽地解释。
实施例1
为了得到造粒液体产品，由按重量计为8.2％的Na2O、按重量计为27.3％的SiO2，以及按重量计为64.5％的水组成的硅酸钠以按水相对于水玻璃为75∶25的重比率溶解于水中。采用这种方式得到的造粒液体以20l/h的流入量在造粒盘中与含按重量计为84％的SiO2、按重量计为5.8％的Al2O3、按重量计为2.7％的Fe2O3、按重量计为1.4％的MgO+CaO和按重量计为0.7％的Na2O+K2O，以20kg/h的流入速度被输送到造粒盘中的硅藻土混合。造粒是在边高比为H/D＝0.28的造粒盘中进行的。造粒过程中，盘以50°±5°的角度被倾斜并且以每分钟6到7转的速度旋转使超过95％的颗粒的粒度范围为6到12mm。采用这种方法生产的细粒被置入通过一个有6米的加热区和6米的冷却区，速度为1m/min的12米长的回转窑。以这种方式，实施例通过采用室温到650℃范围内的连续加热被干燥，随后，在650°C到1100℃的温度范围内被烧结，并且最后被冷却到室温。
所得陶瓷的物理数据被汇编在表1中。
实施例2
为了生产造粒液体，由按重量计为8.2％的Na2O、按重量计为27.3％的SiO2，以及按重量计为64.5％的水组成的硅酸钠以按水相对于水玻璃为95∶5的重量比率溶解于水中。采用这种方式得到的造粒液体以20l/h的流入量在造粒盘中与含按重量计为75％的SiO2、按重量计为9.0％的Al2O3、按重量计为6.0％的Fe2O3、按重量计为2.5％的CaO、按重量计为1.0％的MgO，以及按重量计为2.5％的Na2O+K2O，以25kg/h的流入速度被输送到造粒盘中的硅藻土混合。造粒是在边高比为H/D＝0.28的造粒盘中进行的。造粒过程中，盘以60°±5°的角度被倾斜并且以每分钟6到7转的速度旋转使超过95％的颗粒的粒度范围为1到15mm。采用这种方法生产的细粒被置入通过一个有6米的加热区和6米的冷却区，速度为1m/min的12米长的回转窑。以这种方式，实施例通过采用室温到650℃范围内的连续加热被干燥，随后，在650℃到1100℃范围内被烧结，并且最后被冷却到室温。
所得陶瓷的物理数据被汇编在表1中。
表1
特性     实施例1     实施例2
孔隙率     62.7     63.7
孔径范围为0.1到15μm的孔的百分数[％]     74     94
孔隙体积[cm3/g]     0.73     0.72
BET表面[m3/g]     0.9     3.5
容积密度[g/cm3]     0.42     0.42
容积表面[m2/L]     378     1470

Claims (16)

1.含SiO2以及Na2O和/或K2O的陶瓷材料，其特征在于，其大于60％的孔隙度和多于70％的孔的孔径为0.1到15μm。
2.权利要求1中的陶瓷材料，其特征在于，还含Al2O3。
3.权利要求1或2中的陶瓷材料，其特征在于，95％的颗粒的粒度范围为1到15mm。
4.上述权利要求1到3中之一项或多项的陶瓷材料，其特征在于，它的堆积有一个范围为0.2到1.0g/cm3容积密度。
5.上述权利要求1到4中之一项或多项的陶瓷材料，其特征在于，它的堆积有一个范围为350到1500m2/l容积表面积。
6.一种生产上述权利要求1到5中之一项或多项的陶瓷材料的方法，其特征在于，下列的生产步骤：
(a)将一种混合物造粒，该混合物包含：
按重量计为1.0份的陶瓷原料，该陶瓷原料包含按重量计超过40％的SiO2和按重量计为0.5％到10％的Na2O+K2O，以及
按重量计为0.5到1.5份的含水粘合剂，该粘合剂含按水相对于水玻璃的重量比率范围为95∶5到55∶45的水和水玻璃。
(b)干燥和烧结步骤(a)中得到的颗粒。
7.一种生产上述权利要求6中的陶瓷材料的方法，其特征在于，陶瓷原料含按重量为1到10％的Al2O3。
8.一种生产上述权利要求7中的陶瓷材料的方法，其特征在于，陶瓷原料含硅藻土。
9.一种生产上述权利要求8中的陶瓷材料的方法，其特征在于，硅藻土含按重量计70％到90％的SiO2、按重量计为O.5％的到4％的K2O+Na2O，以及按重量计为4到10％的Al2O3。
10.一种生产上述权利要求6到9中之一项或多项的陶瓷材料的方法，其特征在于，水玻璃含按重量计为8％到10％的Na2O，按重量计为26％到32％的SiO2，其余为水。
11.一种生产上述权利要求6到10中之一项或多项的陶瓷材料的方法，其特征在于，陶瓷原料相对于含水粘合剂的比率范围为1∶0.8到1∶1.2。
12.一种生产上述权利要求6到11中之一项或多项的陶瓷材料的方法，其特征在于，步骤(b)中包括从室温到650℃范围内的干燥，和随后在650℃(初始温度)到1000℃到1200℃(最终温度)范围内的烧结。
13.一种生产上述权利要求6到12中之一项或多项的陶瓷材料的方法，其特征在于，在步骤(c)中烧结的颗粒被分级成1到15mm的粒度。
14.权利要求1到5中之一项或多项的陶瓷材料用于水的过滤。
15.权利要求1到5中之一项或多项的陶瓷材料用于储存水。
16.权利要求1到5中之一项或多项的陶瓷材料用于吸附细菌。
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