CN1844041A - 一种粉煤灰制备莫来石质微孔曝气头(板)的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于特种陶瓷技术领域，涉及污水生化处理过程中向水中高效充氧的微孔曝气头/板的制造方法。本发明方法，可采用传统陶瓷工业的生产工艺，直接以粉煤灰作为主要原料，制备莫来石质微孔曝气头。本发明制备的微孔曝气头，材料的主要晶相为莫来石，微晶呈四方柱状，长度在4～12μm之间，交错状排列，材料孔隙率为35～50％，孔径分布较均匀，孔隙在2～40μm之间，主要集中在10～20μm之间，抗压强度为80～140MPa。本方法生产工艺简单，成本低廉，原料来源广泛，微孔曝气头孔径分布均匀，机械强度高，化学稳定性好，使用寿命长，为污水生化处理提供一种经济、有效、环保的方法，也为粉煤灰的高效资源化利用提供一种新途径。

Description

一种粉煤灰制备莫来石质微孔曝气头(板)的方法

(一)技术领域

本发明属于特种陶瓷技术领域，涉及污水生化处理过程中向水中高效充氧的微孔曝气头/板的制造方法。

(二)背景技术

曝气是污水好氧生物处理系统中的一个重要的工艺过程。微孔曝气器的作用是将空气分散成气泡，扩散到混合液中，使气泡中的氧溶解到混合液中，提供微生物生化反应所需要的溶解氧，同时保证污水的充分混合，使活性污泥处于悬浮状态，通过泥、水、气三相的充分接触，保证活性污泥充分利用水中溶解氧来分解有机污染物和氮、磷营养物。曝气效果的好坏极大地影响生物处理系统的效率，而微孔曝气头/板的材料与结构直接影响曝气效果。

微孔曝气头在美国、英国、法国和日本等国都进行过研制，并有产品出售。美国和日本研制的微孔曝气头，材质为刚玉质和塑料质。我国北京市政设计院、天津油石厂、宜兴市大塔耐火材料厂、宜兴大新陶瓷厂等单位也分别试制过曝气头/板，材质分别为刚玉质和半刚玉质。

目前，微孔曝气头主要材质有橡胶膜片、聚乙烯、刚玉质或半刚玉质。至今还没有莫来石质微孔曝气头的相关专利和文献报道。橡胶材料，机械强度差，容易腐蚀老化，使用寿命短；聚乙烯曝气头，机械强度和化学稳定性虽优于橡胶膜片，但如处理城市污水或含油类、酚类石化污水，特别是夏天使用温度较高(达46℃)和酚类浓度较高条件下，耐久性普遍不高，其强度也难以适应抵抗水流的剪应力；刚玉质或半刚玉质，机械强度高，化学稳定性好，但布气层厚、孔道粗糙，易堵塞。微孔曝气头及其制造方法(中国专利授权公告号：CN1035053C)所述的方法，提供一种抗压强度好、气孔孔径小，分布均匀的微孔曝孔头及其制造方法，但其烧制时间过长(65小时～75小时)，制造工艺繁杂。半刚玉质微孔曝气头及其制造方法(中国专利授权公告号：CN 1038443)所述的方法，组分过多，形成材料的物相复杂，且添加过多的石英砂，影响材质的抗压强度。

(三)发明内容

本发明目的是利用粉煤灰为主要原料，制备莫来石质微孔曝气头/板，具有高强度、抗腐蚀、耐老化、孔径微小均匀等特点，为污水生化处理提供一种经济、有效、环保的方法。

本发明是通过这样的技术方案来实现的，它是以特定成分的粉煤灰为主要原料，同铝矾土、助烧剂等粉状原料，按照设计配方，进行配料、湿法球磨、干燥、造粒、成型、烘干、焙烧而成。

具体步骤如下：

1.粉煤灰处理：于105℃充分烘干，干燥时间依粉煤灰含水量而定，球磨机粉磨至200目以下。

2.配料：要求粉煤灰化学成分中含有较高的Al₂O₃和SiO₂，配料设计中，莫来石的组成由粉煤灰提供铝和硅，铝不足部分由铝矾土提供，配料组成为：

粉煤灰                                42～76％

铝矾土                                18～53％

成孔剂(石灰石或白云岩)                2～6％

助烧剂(粘土30～50％，钾长石50～70％)  2～5％

3.混料、球磨、干燥：将配料混合湿法球磨，至粒度中位径10μm左右，干燥得粉体。

4.造粒、制坯、烘干：在粉料中外加入重量比3～6％的粘结剂(聚乙烯醇或甲基纤维素水溶液)，造粒后，在铁质或钢质模中干压成形，成型压力为40～60MPa，压制好试样修坯后于105℃条件下烘干。

5.烧制：将烘干坯体置于工业电炉或窑中焙烧，以8℃/min升温速率升至800℃后，以10℃/min的速率继续升温，至烧制温度，保温2～4小时，烧制温度在1300～1500℃之间，自然冷却。

关键技术说明：

本发明一种粉煤灰制备莫来石质微孔曝气头/板的方法，所采用粉煤灰为高铝粉煤灰，主要由玻璃微珠和莫来石微晶组成，粉煤灰的显微形貌见附图2。

粉煤灰制备莫来石质微孔曝气头的反应机理：

莫来石微晶的形成过程：在煅烧时，体系形成部分高温液相量，粉煤灰中原有莫来石雏晶按比例吸收周围玻璃熔体中SiO₂和Al₂O₃，逐渐生长形成莫来石微晶；熔融相中SiO₂和Al₂O₃达到一定浓度后，开始分相，在杂质点成核，特别是在高熔点Al₂O₃周围析出莫来石相，进一步生长形成莫来石微晶。钾长石起到助熔作用，形成较多的高温液相量，促进莫来石微晶生长。

微气孔的形成过程：主要受以下四个因素影响。一为成孔剂在高温下分解释放出气体而留下的气孔；二为坯体颗粒堆积遗留下来的残余气孔；三为SiO₂在毛细管力作用下的转移效应所致，由于毛细管作用，液相向周围Al₂O₃间隙中转移，SiO₂和Al₂O₃不断溶解，形成莫来石相，莫来石相析出后，熔融相中Si⁴⁺和Al³⁺浓度不断降低，需要由SiO₂和Al₂O₃的溶解来补充，SiO₂的熔解及液相的转移，导致在SiO₂颗粒处遗留下孔洞；四为生成莫来石时体积膨胀效应所致，形成莫来石晶体过程体积增大，使得在毛细管力作用下抑制了残存Al₂O₃相互靠拢，而使SiO₂处留下的孔洞难以缩小。

本发明方法，可采用传统陶瓷工业的生产工艺，直接以粉煤灰作为主要原料，制备莫来石质微孔曝气头，具有机械强度高、孔径分布均匀微细、化学稳定性好、使用寿命长等优点。本发明生产工艺简单，成本低廉，原料来源广泛，也为粉煤灰的高效资源化利用提供一种新途径。我国是粉煤灰排放的大国，2002年粉煤灰的排放量达1.8亿吨，大多呈露天堆放，累计储存量超过14亿吨，侵占耕地，污染环境。当前我国粉煤灰利用水平也比较低，主要集中在建材墙体、水泥、混凝土、道路基层等方面。粉煤灰成分组成虽有一定变化，但其主要化学成分为Al₂O₃和SiO₂，主要物相为玻璃相和莫来石，见附图1。莫来石为Al₂O₃-SiO₂体系的稳定化合物，具有许多优良的特性，如热稳定性、化学稳定性和较高的机械强度等，是目前重要的工程结构陶瓷材料。本发明利用粉煤灰的化学成分和物相组成的优势，制备莫来石质微孔曝气材料，充分发挥其高强度、抗腐蚀、耐老化等性能。

(四)附图说明

图1为本发明的粉煤灰的XRD图。

图2为本发明的粉煤灰的SEM图。

图3为本发明的莫来石质微孔曝气头的XRD图。

图4为本发明的莫来石质微孔曝气头SEM图

(五)具体实施方式

以北京石景山电厂的粉煤灰，同铝矾土、助熔剂等原料，按照设计配方，进行配料、湿法球磨、干燥、造粒、成型、烘干、烧制而得制品。

实施例1：配料加入量(重量百分数)：粉煤灰47.70份，铝矾土52.30份，石灰石2.50份，钾长石2.00份，膨润土1.00份；烧制温度为1450℃，保温时间3小时。

实施例2：配料加入量(重量百分数)：粉煤灰58.33份，铝矾土41.67份，石灰石2.50份，钾长石2.00份，膨润土1.00份；烧制温度为1350℃，保温时间3小时。

实施例3：配料加入量(重量百分数)：粉煤灰74.35份，铝矾土25.65份，石灰石2.50份，钾长石2.00份，膨润土1.00份；烧制温度为1350℃，保温时间2小时。

实施例结果：

对本发明利用粉煤灰制备莫来石质微孔曝气头，进行粉晶X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)分析，结果表明，微孔曝气头材料主要晶相为莫来石，如图3；莫来石微晶体呈四方柱状，长度在4～12μm之间，交错状排列，材料孔隙率高，孔径分布较均匀，孔隙在2～40μm之间，主要集中在10～20μm之间。莫来石质微孔曝气头的性能测试结果见表1。

                  表1粉煤灰制备莫来石质微孔曝气板的基本性能

Claims (5)

1.一种粉煤灰制备莫来石质微孔曝气头/板，其特征在于：原料配量的重量百分比为：

粉煤灰    42-76％

铝矾土    18-53％

成孔剂    2-6％

助烧剂    2-5％。

2.根据权利要求1所述的莫来石质微孔曝气头/板，其特征在于：原料的组成为：

成孔剂：石灰石或白云岩

助烧剂：粘土和长石，重量百分比：粘土30-50％，长石50-70％

粘结剂：聚乙烯醇或甲基纤维素。

3.根据权利要求1或2所述的莫来石质微孔曝气头/板，其特征在于：还可以加入重量比为3-6％的粘结剂。

4.一种粉煤灰制备莫来石质微孔曝气头/板的方法，其特征在于：以粉煤灰为主要原料，与成孔剂、铝矾土和助烧剂混匀，湿法球磨，干燥得粉体，在粉料中添加粘结剂混合，再经造粒机造粒、压形制坯、烘干后烧制而成。

5.根据权利要求4所述的制备莫来石质微孔曝气头/板的方法，其特征在于：莫来石质微孔曝气头的烧制温度为1300-1500℃，保温时间为2-4小时。

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