一種利用富鎂冶金鎳渣制備的多孔陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無機(jī)非金屬功能陶瓷材料領(lǐng)域，具體而言，涉及一種利用富鎂冶金鎳 渣制備的多孔陶瓷及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，污染物質(zhì)種類和數(shù)量不斷增加。富鎂冶金鎳渣是一種冶 金工業(yè)廢渣，是指在鎳金屬冶煉過程中排放的一種工業(yè)廢渣，其年產(chǎn)量大，利用率不高，逐 年堆棄的廢渣不僅占用土地，對(duì)渣場(chǎng)周圍環(huán)境造成嚴(yán)重污染，同時(shí)又造成資源的浪費(fèi)。我國(guó) 的鎳產(chǎn)量近幾年增長(zhǎng)迅速且鎳渣產(chǎn)量巨大，2014年江蘇沿海的主要港區(qū)大豐、響水、連云港 等年產(chǎn)鎳及其合金產(chǎn)量已達(dá)80萬噸，同時(shí)產(chǎn)生鎳渣1000萬噸左右。傳統(tǒng)的建筑瓷磚原料多 為黏土、長(zhǎng)石和石英等天然礦物，鎳渣中的主要成分是Ca0、Si0 2、Al203和MgO等，這些也是陶 瓷的主要化學(xué)組成，因此，鎳渣可以作為陶瓷制造的原料之一，目前利用富鎂冶金鎳渣制備 陶瓷的報(bào)道還較少，尤其是多孔陶瓷。
[0003] 另外，多孔陶瓷具有均勻分布的微孔或孔洞，孔隙率較高、體積密度小，具有發(fā)達(dá) 的比表面及其獨(dú)特的物理表面特性，對(duì)液體和氣體介質(zhì)有選擇性的透過、能量吸收或阻尼 特性，加之陶瓷材料特有的耐高溫、耐腐蝕、高的化學(xué)穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性，使多孔陶瓷這 一綠色材料可以在氣體液體過濾、凈化分離、化工催化載體、吸聲減震、高級(jí)保溫材料、生物 植入材料、特種墻體材料和傳感器材料等多方面得到廣泛的應(yīng)用。然而，多數(shù)多孔陶瓷為了 保證高氣孔率，往往犧牲掉了陶瓷材料本身的力學(xué)強(qiáng)度，導(dǎo)致氣孔分布不均勻，造成材料抗 壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度下降，容易破壞。而且，很多利用固體廢棄物制備的陶瓷材料，力學(xué)強(qiáng)度 不高，影響其應(yīng)用。
[0004] 有鑒于此，特提出本發(fā)明。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的第一目的在于提供一種利用富鎂冶金鎳渣制備的多孔陶瓷，以解決現(xiàn)有 固體廢棄物利用率低、制備的陶瓷材料力學(xué)強(qiáng)度不高的問題，所述的利用富鎂冶金鎳渣制 備的多孔陶瓷，具有孔徑大小較均勻、孔徑分布范圍較窄、氣孔率可達(dá)到50%、抗壓強(qiáng)度可 達(dá)到52MPa，抗彎強(qiáng)度可達(dá)到120MPa等優(yōu)點(diǎn)。
[0006] 本發(fā)明的第二目的在于提供一種所述的利用富鎂冶金鎳渣制備的多孔陶瓷的制 備方法，該方法充分利用富鎂冶金鎳渣，對(duì)富鎂冶金鎳渣的利用率高達(dá)50 %，具有利用率 高、煅燒溫度低等優(yōu)點(diǎn)。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，特采用以下技術(shù)方案：
[0008] -種利用富鎂冶金鎳渣制備的多孔陶瓷，原料包括按質(zhì)量比配制的組份A和造孔 劑，且組分A與造孔劑的比例為：1: (0.1 -0.15);
[0009] 其中，組份A中，以質(zhì)量百分比計(jì)，包括：富鎂冶金鎳渣45-50wt%、Al2〇3 15-17wt%、Si〇2 30-38wt%和K2O 2-3wt%。
[0010] 多孔陶瓷的組成，是在陶瓷材料中加入造孔劑，利用造孔劑在坯體中占據(jù)一定的 空間，然后經(jīng)過燒結(jié)，造孔劑分解而形成氣孔來制備多孔陶瓷。本發(fā)明使用的富鎂冶金鎳渣 中，包括以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)的如下組份:Na 20 2-3wt%、Mg0 29-38wt%、Al2〇3 4-6wt%、Si〇2 48-52wt%、Ca0 l-2wt% 和FeO 7-8wt%。
[0011] 在富鎂冶金鎳渣中補(bǔ)充適量的Al2〇3,可以增強(qiáng)其機(jī)械強(qiáng)度、硬度大、高溫絕緣電阻 高、耐化學(xué)腐蝕性和導(dǎo)熱性，減小高頻介電損耗。Al 2〇3含量過少(低于15%)，陶瓷的燒成溫 度低，但高溫中易發(fā)生變形。
[0012] Si02是成瓷的主要成分，一部分與Al2〇3和MgO反應(yīng)生成原頑輝石相晶體成為陶瓷 骨架，提高陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性；另一部分與富鎂冶金鎳渣等原料中的堿金屬和 堿土金屬氧化物形成玻璃態(tài)物質(zhì)，增加液相的粘度并填充于坯體骨架之間，使瓷坯致密并 呈半透明性，余下的Si0 2以游離態(tài)存在亦起骨架作用。
[0013] 鎳渣中的CaO起助熔作用。
[0014] K20存在于陶瓷的玻璃相中，起助熔作用和提高陶瓷的透光性的作用，鉀氧化物含 量過高，會(huì)急劇降溫低熔成溫度和熱穩(wěn)定性。
[0015] 由以上原料組成的多孔陶瓷的重要特征是具有較多的均勻可控的氣孔;氣孔有開 口氣孔和閉口氣孔之分，開口氣孔具有過濾、吸收、吸附、消除回聲等作用，而閉口氣孔則有 利于阻隔熱量、聲音以及液體與固體微粒傳遞。多孔陶瓷材料一般由金屬氧化物、二氧化 硅、碳化硅等經(jīng)過高溫煅燒而成，這些材料本身具有較高的強(qiáng)度，煅燒過程中原料顆粒邊界 部分發(fā)生融化而粘結(jié)，形成了具有較高強(qiáng)度的陶瓷。因此，多孔陶瓷是一種經(jīng)高溫?zé)?、?nèi) 部具有大量彼此相通并與材料表面也相貫通的孔道結(jié)構(gòu)的陶瓷材料。并且多孔陶瓷材料可 以耐酸、堿腐蝕，也能夠承受高溫、高壓，自身潔凈狀態(tài)好，不會(huì)造成二次污染，是一種綠色 環(huán)保的功能材料。此外，多孔陶瓷過濾精度高，再生性能好，可應(yīng)用于煙氣凈化分離、吸聲 減震、高級(jí)保溫材料、特種墻體材料等多方面。
[0016] 優(yōu)選的，所述的富鎂冶金鎳渣是金屬鎳和鎳合金冶煉過程中排放的固體廢渣。
[0017] 此類的固體廢渣，主要成分是CaO、Si02、Α12〇3和MgO等。在多孔陶瓷的制備中，均為 重要的組成成分。本發(fā)明中，富鎂冶金鎳渣的含量在整個(gè)組份質(zhì)量的45-50wt%，很好的起 到了工業(yè)固體廢棄物再利用的重要作用。
[0018] 優(yōu)選的，所述造孔劑為淀粉。
[0019] 優(yōu)選的，所述造孔劑為活性炭粉。
[0020] 加入造孔劑是為了提高陶瓷的氣孔率、擴(kuò)大比表面積。
[0021 ] 優(yōu)選的，所述AI2O3為γ -Α?2〇3、β~Α?2〇3或α-Α?2〇3中的一種或者幾種。
[0022] α-Α1203俗稱剛玉，三方柱晶體，晶體結(jié)構(gòu)中氧離子形成六方密堆，鋁離子在八面體 中心。α-Α1203具有熔點(diǎn)高、硬度大、耐化學(xué)腐蝕的特點(diǎn)，并且具有優(yōu)良的介電性，是氧化鋁各 種型態(tài)中最穩(wěn)定的晶型，是自然界中唯一存在的晶型。
[0023] γ-Α12〇3為尖晶石結(jié)構(gòu)，氧原子立方密堆，氯原子填隙，在1050-1500°C范圍內(nèi)不可 逆轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)化為α-Α1203。具有密度小、機(jī)電性能差、結(jié)構(gòu)松散，能被酸堿溶解，適合制備多孔陶 瓷以提高氣孔率。
[0024] β-Α12〇3通常存在于Na20 · 11Α12〇3或CaO · 6Α12〇3中，是良好的離子導(dǎo)體。
[0025] 優(yōu)選的，所述Si02為結(jié)晶Si02和無定形Si02中的一種或者兩種。
[0026] -種所述的利用富鎂冶金鎳渣制備的多孔陶瓷的制備方法，包括以下步驟：
[0027] 按照既定重量比例稱取上述原料混合并進(jìn)行造粒后，壓制成陶瓷坯體，然后煅燒， 即可制得多孔陶瓷材料。
[0028] 本發(fā)明采用傳統(tǒng)高溫固相法制備本發(fā)明提供的利用富鎂冶金鎳渣制備的多孔陶 bL· 〇
[0029] 優(yōu)選的，在所述造粒的操作中加入PVA進(jìn)行造粒。
[0030] PVA為聚乙烯醇，作為粘合劑使用。
[0031 ] 優(yōu)選的，PVA的濃度為5-10wt%，PVA的加入量為5_8wt%。
[0032] 優(yōu)選的，所述制成陶瓷坯體的操作采用粉末壓片機(jī)。
[0033] 粉末壓片機(jī)是一種小型、花籃式連續(xù)自動(dòng)壓片機(jī)。它是將顆粒狀原料壓成片或沖 劑的設(shè)備。壓片機(jī)工作原理:該粉末壓片機(jī)特點(diǎn)是一種小型臺(tái)式電動(dòng)連續(xù)壓片的機(jī)器，也可 以手搖，壓出的陶瓷坯體片厚度平均，光澤度高，無需拋光。由于單沖壓片機(jī)只有一付沖模， 所以稱單沖壓片機(jī);物料的充填深度，壓片厚度均可調(diào)節(jié)。
[0034] 優(yōu)選的，所述煅燒的溫度為1180-1220°C，煅燒的時(shí)間為2-4小時(shí)。
[0035] 煅燒時(shí)間充分，可以保證孔的充分形成；煅燒時(shí)間過久，影響多孔陶瓷的機(jī)械性 能，會(huì)產(chǎn)生過燒熔融現(xiàn)象。溫度優(yōu)選在1180-1220°C，煅燒的時(shí)間為2-4小時(shí)，以保證煅燒的 充分，同時(shí)，該溫度下煅燒，陶瓷致密度高，力學(xué)性能好。
[0036] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：
[0037] (1)本發(fā)明提供一種利用富鎂冶金鎳渣制備的多孔陶瓷，具有孔徑大小較均勻、孔 徑分布范圍較窄的優(yōu)點(diǎn)，氣孔率可達(dá)到50%，體積密度可以減小到1.70g/cm 3。
[0038] (2)本發(fā)明提供一種利用富鎂冶金鎳渣制備的多孔陶瓷，力學(xué)性能優(yōu)異，抗壓強(qiáng)度 可達(dá)到52MPa，抗彎強(qiáng)度可達(dá)到120MPa。
[0039] (3)本發(fā)明提供一種所述的利用富鎂冶金鎳渣制備的多孔陶瓷的制備方法，該方 法充分利用富鎂冶金鎳渣，對(duì)富鎂冶金鎳渣的利用率高達(dá)50%，具有利用率高、煅燒溫度低 等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0040] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，以下將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹。
[0041] 圖1為實(shí)施例1所制備的產(chǎn)物的XRD圖譜；
[0042]圖2為實(shí)施例1所制備的產(chǎn)物的SEM圖片；
[0043]圖3為實(shí)施例2所制備的產(chǎn)物的SEM圖片。
【具體實(shí)施方式】
[0044]下面將結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行詳