TWI293289B - - Google Patents

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1293289 ，九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種發泡性輕質多通孔性陶瓷體介質 及其製造方法，且特別是有關一種具有大比表面積、低比 重（〈1)、高度透氣性、結構良好之多通孔性陶瓷體介質， 其製造方法與其用途。 【先前技術】 目前市面上濾材種類繁多，大致上可分為塑膠類、石 ► 英砂、玻璃環、陶瓷環、木炭、竹炭等，但此等濾材功能 不一，無法滿足生技養殖、污水處理、空氣生物流化床等 所用濾、材所需功能和性質要求，例如，低比重、良好透氣 性、大的比表面積、孔係不易堵塞及生物膜易脫落等。 傳統製造發泡性多孔性陶瓷體介質所用方法仍不足 以製造完全滿足上述諸項要求之發泡性輕質多通孔性陶瓷 體介質。 本案發明人有鑑於上述先前技藝之缺陷，奈經多年精 心研究而完成完全具備上述諸功能和性質要求之發泡性輕 質多通孔性陶瓷體介質，且可於該發泡性輕質多通孔性陶 瓷體介質中添加奈米銀離子、礦物型負離子、遠紅外線酸 性無機鹽類和鹼性無機鹽類礦物質，經高溫燒結固化後可 提高濾材附加價值。 【發明内容】 本發明的一項目的為提出一種發泡性輕質多通孔性 陶瓷體介質，其特徵在於具有大比表面積、低比重（< 1)、 5 1293289 高度透氣性、和良好的結構。 本發明的一項目的為提出一種製造上述發泡性輕質 多通孔性陶瓷體介質之方法，包括一前段發泡性輕質顆粒 製造步驟以製造成發泡性輕質顆粒體，與一後段發泡性輕 質多通孔性陶瓷體介質製造步驟而製成本發明發泡性輕質 多通孔性陶瓷體介質。 本發明的一項目的為提出一種本發明發泡性輕質多 通孔性陶瓷體介質作為生技養殖、污水處理、空氣生物流 化床等生物性接觸濾材之用途。 【實施方式】 如上所述，於本發明一方面之中，提出一種發泡性輕 質多通孔性陶瓷體介質，其特徵在於具有大比表面積、低 比重（< 1 )、高度透氣性、和良好的結構。本發明發泡性輕 質多通孔性陶瓷體介質可經由本發明另一方面的發泡性輕 質多通孔性陶瓷體介質製造方法予以製造成。 於本發明該第二方面中，提供一種上述本發明發泡性 輕質多通孔性陶瓷體介質之製造方法。如上提及者，本發 明製造方法包括一前段發泡性輕質顆粒製造步驟以製造成 發泡性輕質顆粒體，與一後段發泡性輕質多通孔性陶瓷體 介質製造步驟。下面要分別說明此兩步驟。 前段發泡性輕質顆粒製造步驟 前段發泡性輕質顆粒製造步驟包括將諸如白雲石、碳 酸約、等為主成分，加入無機黏合劑例如石夕酸納，和發泡 劑例如顆粒大小為過200目的煤、木炭、竹炭、木屑、樹 1293289 以怜二,、稻穀灰、稻草灰、低溫無機鹽類和類似者， ㈣混合、乾燥例如_内約lm：下乾燥， 請。c鍛燒以燒掉發泡劑中之有機物質而 產生均勻性，高孔隙率之發泡體。再利用諸如㈣納作為 固化液相燒結，其中白雲石和碳_因鍛燒而 ❿ ==來因而產生更細化的均勻空隙，且將其 重里k失而輕1化。然、後將產物粉碎，過筛取適當大小， 例如8 20目之顆粒而為發泡性輕質顆粒體。 此步驟可用下述流程圖予以概述： 白雲石 原料碳g欠鈣—加水混合—烘乾—鍛燒—粉碎過篩〜半成品顆粒 無機黏合劑 發泡劑 其中所用白雲石（CaMg(C〇3)2)，比重為2· 9，硬度 3·4-4,係由44%碳酸鎂（MgCCb)和56%碳酸鈣（CaC〇3)所組 成’在135(M450QF之間鍛燒分解成氧化鎂和碳酸鈣，在 1650叩下鍛燒則所有的C〇2都會驅除掉而鍛燒成CaO· %0。組成物中若含有酸性低溫助溶劑之時，會在更低溫度 下分解。 作為助熔劑的矽酸鈉NaA · X Si〇2，通常係在火焰爐 中，將Si〇2 (石英砂）和NafO3 (蘇打灰）溶融製成。兩種 成分的比例不同時，所得成品特性也不相同。鹼性矽酸鈉 7 1293289 係由1 Na2〇 · 1. 6 Si〇2混合製成。 後段發泡性輕質多通孔性陶瓷體介質製造步驟 後段發泡性輕質多通孔性陶瓷體介質製造步驟包括 於前段步驟中所得發泡性輕質顆粒體中加入無機黏合劑 (矽酸鈉）溶液以濕潤該發泡性輕質顆粒體的表面使該表面 產生黏性。然後加入陶瓷基料和有機黏合劑，予以滾動包 覆使發泡性輕質顆粒體的表面附著該陶瓷基料，其中係利 用水來調整包覆顆粒滾動時的均勻性和黏度。其後將經包 > 覆完成的顆粒於迴轉式乾燥機内烘乾及調整成型水分與顆 粒強度，以利於在成型機中成型時不易黏模且在進料時有 利於顆粒流動性。成型係採用低壓成型以減少對顆粒的破 壞。接著，予以烘乾，放入窯中在1100°C下鍛燒以燒掉發 泡顆粒體，之後，將其研磨以破壞其表面而製成發泡性輕 質多通孔性陶瓷體介質。 此一後段發泡性輕質多通孔性陶瓷體介質製造步驟 可用下面的流程予以概述： ► 發泡性輕質顆粒體-> 加入無機黏合劑（矽酸鈉）溶液 以濕潤表面4迴轉式滾動4加入陶瓷基料4滾動包覆造 粒4加水調整黏度烘乾調整顆粒強度—採用低壓迴轉 式成型機成型乾燥->入窯鍛燒4出窯4乾式表面破壞 研磨—品檢—成品包裝 其中破壞研磨的主要目的為使陶瓷體表面增加其開 孔率及使表面積加大。 其中所使用的陶瓷基料為長石、黏土和類似者。助熔 8 1293289 劑和有機黏合劑例如CMC、 增加其輕質。 _、版粉、和類似者係為了 要使發泡性輕質多通孔 料中加入無機抗菌離子、沪物二質，化，可於基 鈣和鎂的碳酸略類、:、、遠紅外線離子、 厌、類、驗性確物質例如⑽ (氧化鈉）、κ2〇 (氧化鉀） az0 以改變該陶竞體介質為驗性：】氧簡)、Mg0(氧化鎂)等 石粉）以改變性礦物f si〇2(發 多通孔性料想介f多種而賦予該發泡性輕質 其中無機抗菌離子的主八 且其主要功能為抗細菌、4;，: \Ag和活性氧’ 主要功能為抗菌、除臭、='、除臭°_型負離子的 制可分為4生長。負離子在生物學的效能上主要運作機 ()=氧自由基無毒化··氧自由基的外圍電子比普通 :况下者較為少，而負離子的外圍電子則較為 夕相互中和使氧自由基獲得缺少的電 毒的效果。 (二) 使體液呈弱鹼性:體内的氫離子愈多，體液的酸 性愈強，而負離子可以使血液中的氫離子濃度降 低，導致血液成為弱鹼性。 (三） 使水體巾d批善：水财的病毒、細菌 等生物懸浮物大多帶有正電荷，負離子可與之中 1293289 ^達到無電荷之後沉㈣濾、以改善水體品質。 、加遠紅外線離子的主要功能包括： (1)促進魚體生理活性 =)改善水分子細分化使生物易於吸收增加浸透力 促進新陳代謝活化細胞 (4) 改善魚體微循環系統：獨立水分子可以自由出入 、、、田胞之間，再透過共鳴共振，轉化為熱能，使得 • 皮下深層的溫度微幅增高，加快血流速度，使微 =血管擴張。微絲血管開放愈多，心臟壓力可獲 知減低，同時將新陳代謝所產生的廢物排出體外。 添加鈣鎂碳酸鹽類的主要功能包括： (1) 低比重，減低過濾系統的承載重量。 (2) 具有高度透水透氣性、擴散性、提高硝化過程中 的水中溶氧量。 (3) 生物膜易於脫落。 • (4)提供不同的菌相細菌所需的孔隙條件，減低對硝 化菌造成緊迫現象以利菌相發展。 (5) 空隙為開放性且為連續貫通性互通氣孔 (6) 材質為親水性，比表面積大，表面承粗糙面，易 於形成附著水層，增加水力停留時間（hydraulic retention time，HRT)，增加流動水層與附著水 層相接觸時的擴散效果，提升氨氣移動速率。 (7) 提高異營性細菌對於有機弱質生物的處理效率。 本發明發泡性輕質多通孔性陶瓷體介質的特性和附 10 1293289 、加功能及其用途要以下面的非限制性實施例予以示範說 明。 實施例 通用糕序 前段發泡性輕質顆粒製造步驟 於100仟克白雲石中，加入20仟克矽酸鈉，和80仟 克顆粒大小為過200目的木屑、稻榖灰、或稻草灰，和30 公升水於混合機内混合後，放在100°C烘箱内乾燥，加到 > 窯具内、經500°C鍛燒5小時以燒掉發泡劑中之有機物質 而產生均勻性，高孔隙率之發泡體。再利用矽酸鈉助熔劑， 850°C進行固化液相燒結1〇小時，其中白雲石或碳酸鈣因 鍛燒而分解出C〇2因而產生更細化的均勻空隙，且將其重 量燒失而輕量化。然後將產物粉碎，過篩取適當大小例如 8-20目之顆粒而為發泡性輕質顆粒體。 後段發泡性輕質多通孔性陶瓷體介質製造步驟 _ 於15什克如段步驟中所得發泡性輕質顆粒體中加入 10仟克矽酸鈉溶液以濕潤該發泡性輕質顆粒體的表面使 該表面產生黏性。然後加入12〇仟克的長石、黏土或類似 之陶瓷基料和1· 7仟克的有機黏合劑例如CMC、糊精、澱 粉’並加入10公升的水在混合機内予以滚動包覆20分鐘 使發泡性輕質顆粒體的表面附著該陶瓷基料，並調整包覆 顆粒滾動時的均勻性和黏度。其後將經包覆完成的顆粒於 迴轉式乾燥機内在1〇〇〇C下烘乾。採用迴轉式成型機在10 仟克/平方厘米的壓力下低壓成型。接著，於1〇〇。(：下烘 1293289 乾放入窯中在1100°c下鍛燒以燒掉發泡顆粒體，之後， 將其研磨以破壞其表面而製成發泡性輕質多通孔性陶究 介質。 一 比表面積：約15, 〇〇〇平方米/立方米之值。 比重：P = m(質量）/v(體積）·· <1 ^電子顯微鏡觀察：利用掃描電子顯微鏡（SEM)觀察所 传發泡性輕質多通孔性陶莞體介質切片，可觀察到内部貫 穿式孔隙（參看圖j中所示識照片）。 > 實施例1 添加無機抗菌銀離子之發泡性輕質多通孔性陶瓷體介質 根據上面所述包括一前段發泡性輕質顆粒製造步驟 製造成發泡性輕質顆粒體，與一後段發泡性輕質多通孔性 陶瓷體介質製造步驟之通用程序製造成，其中係在陶瓷基 料中添加抗菌離子成分。於本實施例中，該抗菌離子成分 奈米銀粒子使其在最後產品中的含量為3—5重量％。於其他 . 具體實例中可以添加的抗菌離子成分包括P2〇5、Ζη等。 抗菌效能··最低90% 實施例2 添加礦物型負離子之發泡性輕質多通孔性陶瓷體介質 根據上面所述包括一前段發泡性輕質顆粒製造步驟 以製造成發泡性輕質顆粒體，與一後段發泡性輕質多通孔 性陶瓷體介質製造少驟之通用程序製造成，其中係在陶瓷 基料中添加抗菌離子成分。 負離子成分·· Si〇2 ’ Al2〇3、CaO、Ti〇2/ZrO/La/Se (S) 12 1293289 負離子成分：Si〇2，AI2O3、CaO、Ti〇2/Zr〇/La/Se 負離子濃度：6500-7500 ea/cc 實施例3 添加遠紅外線離子之發泡性輕質多通孔性陶竟體介質 根據上面所述包括一前段發泡性輕質顆粒製造步驟 製造成發泡性輕質顆粒體，與一後段發泡性輕質多通孔性 陶瓷體介質製造步驟之通用程序製造成，其中係在陶莞基 料中添加遠紅外線離子成分。 化學成分：Si〇2，AI2O3、CaO、MgO、Na2〇、K2O 等 平均放射率：4_12微米為85%以上 實施例4 添加鈣鎂碳酸鹽類之發泡性輕質多通孔性陶瓷體介質 根據上面所述包括一前段發泡性輕質顆粒製造步驟 製造成發泡性輕質顆粒體，與一後段發泡性輕質多通孔性 陶究體介質製造步驟之通用程序製造成，其中係在陶莞基 料中添加妈鎂石炭酸鹽類成分。 化學成分·· Si〇2，Al2〇3、CaO、MgO、B2〇，ZnO、Li2〇、 ^2〇等無機礦物經高溫燒結而得多孔隙表面結構。 综上所述，使用本發明新穎發泡性輕質多通孔性陶究 體Μ質製造方法可以製造出具有大比表面積、低比重、高 度透氣性、結構良好之發泡性輕質多通孔性陶瓷體介質， 其比重較現有發泡性輕質陶瓷體介質都較為低，甚至於可 使本發明發泡性輕質多通孔性陶瓷體介質懸浮於液體内， 13 1293289 增加本發明發泡性輕質多通孔性陶瓷體介質的功能之發 揮，例如，無機抗菌性，礦物質負離子，遠紅外線功能， 鹼性礦物質功能和酸性礦物質功能等，可應用為生技養 殖、污水處理、空氣生物流化床專生物性接觸滤材。因此’ 本發明具有新穎性、進步性及產業實用性，爰提出專利之 申請。 【圖式簡單說明】 第一圖為根據本發明方法所得發泡性輕質多通孔性 陶瓷體介質的掃描電子顯微鏡（SEM)照片，可明顯觀察到内 部貫穿式孔隙。 【主要元件符號說明】

Claims (1)

1. !293289

   申請專利範圍：

   -種發泡性輕質多通孔性H體介質之製造方法，包 括： -前段發泡性輕質顆粒製造步驟，包括於白雲石 或碳酸駐成分之中加入無機黏合劑，和發泡劑，以恰 當比例和水混合、乾燥，加到t具内、經5〇o〇c锻燒以 燒掉發泡劑中之有機物質而產生均勻性，高孔隙率之發 泡體，再利用助熔劑於850C下锻燒進行固化液相燒 結，然後將產物粉碎，過筛取適當大小之雜而得發泡 性輕質顆粒體； 一後段發泡性輕質多通孔性陶甍體介質製造步 驟’包括於前段步驟中所得發泡性輕質顆粒體中加入益 機黏合劑溶液以濕潤該發泡性輕質顆粒體的表面使該 表面產生黏性，然後加人陶懿料和有機黏合劑，予以 滾動包覆使發泡性輕質顆粒體的表面附著該陶瓷基 料，其中係利用水來調整包覆顆粒滾動時的均勻性和黏 度，接著低壓成型以減少對顆粒的破壞，烘乾，放入窯 中在11 GO C下锻燒而製成該發泡性輕質多通孔性陶究 體介質。 2. 根據申請專利範圍第！項之方法，其中該助溶劑為石夕 酸鈉。 3. 根據申請專利範’丨項之方法，其中該發泡劑為顆 粒大小為過200目的煤、木炭、竹炭、木屑、樹皮、 蛇木屑、稻穀灰、稻草灰、低溫無機鹽類和類似者。 1293289 .根據申請專利範圍帛丨項之方法，《中該陶竟基料為 長石、黏土和類似者。 5·根據申請專利範圍第丨項之方法，其巾該有機黏合劑 為CMC、糊精、澱粉、和類似者。 6·根據巾料鄉圍第1項之料，其進-步包括在鍛 燒之後予以研磨以破壞其完整性而使陶曼體表面增加 其開孔率及使表面積加大。

   7. 根據ΐ料鄕㈣1項之料，其進―步包括在該 陶瓷基料中添加鈣鎂碳酸鹽類。 8. 根據申請專利範㈣1項之方法，其進-步包括在該 陶瓷基料中添加無機抗菌離子成分。 9 ·根據申清專利範圍第8項之古 、、 固乐δ項之方法，其中該無機抗菌離 子成为為銀’ Ρ2Ο5、和Ζη。 10·根據申請專利範圍第1焐夕古 μ』，* 項之方法，其進—步包括在該陶 瓷基料中添加礦物型負離子成分。 1 1 ·根據申請專利範圍第1 〇項之 員之方法，其中該礦物型負離 子成刀 4Sl〇2，Ah〇3、⑽、和 Ti〇2/Zr〇/La/Se。 12 ·根據申清專利範圍第1項之古、土 咨其料土 法，其進—步包括在該陶 是基科中添加运紅外線離子成分。 13 ·根據申清專利範圍第12項 > 古、+ ^ #八五Q.n 法，其中該遠紅外線離 子成分為 S1O2，AhO” 1, a 14·根據申請專利範圍第！項之g去、%2〇、#σΚ2〇。 篆基料中添加驗性礦物質成分。’/、進—步包括在該陶 15·根據申請專利範園第14項之方 、万法，其t該鹼性礦物質 1293289 ，，成分為Ll0(氧化鋰）、Na2〇 (氧化鈉）、κ2α (氧化鉀）、 Ca0(氧化鈣）、和MgO(氧化鎂）。 -I6·根據申請專利範圍第1項之方法，其進一步包括在該陶 . 瓷基料中添加酸性礦物質成分。 π·根據中請專利範圍第16項之方法，其中該酸性礦物質 成分為Si〇2。 18,種使’射料利範圍第丨項之方法所製成的發 祕輕質乡軌㈣聽介f，其特徵在於其具有大比 表面積、< 1之低比重、高度透氣性、貫通的孔隙和良 好結構。 19·根據申μ專利範圍第18項之發泡性輕質多通孔性陶竞 體’丨貝，其特徵為其内部為空心體。 2〇·—種使用根據中請專利範圍第7-17項中任-項之方法 所製成的發泡性輕質多通孔性陶曼體介質。 種申印專利範圍第18或19項之發泡性輕質多通孔性 • 肖兗體介質在生技養殖、污水處理、和空氣生物流化床 中作為生物性接觸濾材之用途。 ^申4專利範圍第2〇項之發泡性輕質多通孔性陶瓷 體’|質在生技養殖、污水處理、和空氣生物流化床中作 為生物性接觸濾材之用途。 CS 17