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

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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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