CN107628819B - 一种利用镁渣、粉煤灰、电石渣制备含黄长石相的多孔材料的方法 - Google Patents

Abstract

镁渣、粉煤灰、电石渣等工业固体废弃物排放量大，占用大量土地资源，且容易形成粉尘，造成空气和水污染。本发明的方法利用镁渣、粉煤灰、电石渣掺杂经过高温烧结制备含黄长石相的多孔材料，不仅达到以废治废的目的，并且制得的多孔材料，可用于隔音，保温，过滤等领域，拓展了工业固体废弃物再利用的应用领域。

Description

一种利用镁渣、粉煤灰、电石渣制备含黄长石相的多孔材料的 方法

技术领域

本发明涉及一种利用工业固体废弃物制备含黄长石相的多孔材料的方法，属于陶瓷材料领域。

背景技术

黄长石是由含铝、镁、铁的硅酸钙/硅酸钠组成的硅酸盐类矿物中的一类矿物，化学成分通式(Ca,Na)₂(Al,Mg,Fe²⁺)[(Al,Si)SiO₇]。钙铝黄长石Ca₂Al(AlSi)O₇和镁黄长石(Ca₂Mg(Si₂O₇)是黄长石族中两种最主要的矿物，成分中，Mg-Al间为完全类质同象代替，同时伴有Si-Al间的代替，故形成以钙铝黄长石和钙镁黄长石的类质同象系列。这些矿物是从富含钙的碱性岩浆中结晶而来。

黄长石主要应用于陶瓷釉料、陶瓷、耐火材料、保温材料和水泥等制造领域。另外镁黄长石Ca₂Mg(Si₂O₇)是一种含有Si，Ca，Mg的陶瓷，具有生物活性，在生物组织工程中有较好的应用前景。

目前，大规模工业用黄长石主要来源于矿石开采，有较大的生态和环境破坏隐患。精细化工用黄长石主要采用溶胶凝胶法和沉淀法制备，所用原料均为化学纯试剂，无法满足大规模生产和应用。

而另一方面，我国每年排放大量的粉煤灰和各种工业矿渣，压占土地，污染环境和增加投资，充分利用这些废弃物对提高资源利用效率，发展循环经济，建设节约型社会具有十分重要的意义。但目前我国工业固体废弃物再利用主要以临时道路和地坪填埋，烧结制备水泥熟料，烧结制砖等简单的再加工处理的方式利用，被利用的工业固体废弃物的种类和生成产品的适用范围都很有限。

粉煤灰的主要化学成份是SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO、TiO₂、硫化物等。镁渣是炼镁排出的一种工业废渣，主要化学成分为CaO、SiO₂、Al₂O₃等。电石渣是电石制备乙炔后得到的以氢氧化钙为主要成分的固体废渣，同时还含有SiO₂、Al₂O₃及少量的CaCO₃、Fe₂O₃、MgO、碳渣等杂质。

据发明人了解，利用工业固体废弃物制造陶瓷或耐火材料的相关报道比较少，在工业固废中镁渣、电石渣等废弃物再利用的研究也不是很多。

中国专利申请CN201210258832.4公开了以工业废渣镁渣、高岭土和工业氧化铝为原材料，通过高温反应烧结法制备六铝酸钙/钙长石复相轻质隔热保温耐火材料的方法，该制备方法一定程度上实现了镁渣的综合利用，且其材料具有耐高温、轻质、隔热保温的特点，可适用于高温容器和窑炉的内衬高温材料。但该方法只消化了一种工业废渣，所用高岭土和工业氧化铝仍来自于矿石和工业生产。

中国专利申请CN201410581205.3公开了一种镁渣及锰渣耐火浇注料原料，是一种不定形耐火材料，包括20～30份骨料，70～80份粉料，10～15份外加剂，所述骨料由刚玉、镁铝尖晶石组成；所述粉料由α-Al₂O₃粉、镁渣粉、粉煤灰、锰渣粉组成；所述外加剂为水溶性酚醛树脂。在该发明中镁渣粉与水溶性酚醛树脂混合后形成生成水化硅酸钙凝胶，可以提高镁渣及锰渣耐火浇注料的固化速度。该制备方法虽然消化了三种工业固废，但所用工业固废的比例仍然不太高。

发明内容

鉴于目前工业固体废弃物再利用中制造陶瓷材料的研究不多，对镁渣、粉煤灰、电石渣三种固体废弃物的综合利用不充分，本发明在深入研究镁渣、粉煤灰、电石渣成分特性的基础上，提出了由这三种固体废弃物掺杂制备含黄长石相的多孔材料的方法，一方面解决以废治废的问题，一方面提供了可用于保温、隔音或过滤等方面的含黄长石相的多孔材料。

本发明的技术方案如下：

一种含黄长石相的多孔材料的制备方法：将镁渣、粉煤灰、电石渣混合，所述混合物压制成型，之后烧结。

优选镁渣:粉煤灰:电石渣的质量比为1:0.0625～0.8:0.0625～0.7，进一步优选为1:0.25～0.8:0.07～0.5，更优选为1:0.35～0.8:0.07～0.35，最优选为1:0.4～0.6:0.15～0.3。

优选压制成型的条件为：成型压力为60MPa～110MPa，进一步优选为78MPa～98MPa。保压时间为50～80s。

本领域技术人员公知，常用的各种压力成型方法均可用于本发明，包括但不限于，冷等静压成型、模压成型等。优选使用模压成型。

优选烧结条件为：升温速率为5-15℃/min，烧结温度为1100～1200℃，保温时间为3-5小时。更优选升温速率为9-11℃/min，保温时间为210-270min。

优选烧结方式为高温无压烧结。

优选，镁渣、粉煤灰和电石渣在混合前可以进行粉碎，或者边混合边粉碎。优选使混合物中镁渣、粉煤灰和电石渣的粒径在1～100μm，进一步优选为5～50μm。

本领域技术人员公知，常用的粉碎方法都可用于本发明，包括但不限于：挤压粉碎、挤压-剪切粉碎、劈裂粉碎、冲击粉碎等，可以采用的粉碎装置包括但不限于：颚式破碎机、柱磨、雷蒙磨、钢球磨、立磨、棒磨、冲旋破碎机、锤式破碎机等。

本发明还提供由上述制备方法制备获得的含黄长石相的多孔材料。

优选所述含黄长石相的多孔材料，其总气孔率为19％～57％，体积密度为1.38～2.15g/cm³，吸水率为8.9％～34.5％，抗压强度为0.8MPa～98.4MPa。

进一步优选所述含黄长石相的多孔材料的总气孔率为25％～42％；优选其体积密度为1.63～1.90g/cm³；优选其吸水率为15.0％～25.5％；优选其抗压强度为10.0MPa～63.0MPa。

本发明中所用术语“总气孔率”是指闭口气孔率与开口气孔率之和。

本发明中所用术语“体积密度”是多孔体材料不含游离水的质量与其总体积(包括材料的实占体积和全部孔隙所占体积)之比值。

本发明中所用术语“吸水率”是多孔体材料中所有开口气孔所吸收的水的质量与其干燥材料的质量之比值。

其中总气孔率、体积密度和吸水率的测定方法采用阿基米德法。

本发明的优点：

镁渣、粉煤灰、电石渣三种固体废弃物经压制烧结，其中的SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO等组分转变形成黄长石相，例如镁黄长石(Ca₂Mg(Si₂O₇))和/或钙铝黄长石(Ca₂Mg_xAl_x(Si_xAl_x)O₇)相，形成了含有黄长石相的材料，提供了一种替代矿石来源的黄长石相材料。

另外，粉煤灰和电石渣中残余的碳质，碳酸钙，氢氧化钙，在烧结过程中生成CO₂，形成烧成材料中的气孔，不需额外添加造孔剂，充分利用各工业固废的组成特点，降低了配料的复杂性，并大大提高了工业固废在配料中的比例。

所制得的含黄长石相的多孔材料，根据其总气孔率、体积密度和抗压强度，视使用条件要求，可用于隔音，保温，过滤等方面，拓宽了工业固废再利用制品的应用领域。例如，过滤对所用材料的抗压强度要求不高，当根据本发明方法制备的含黄长石相的多孔材料，总气孔率和吸水率较高时，可用做过滤材料；隔音或保温对所用材料的抗压强度要求较高，当根据本发明方法制备的含黄长石相的多孔材料，抗压强度在10MPa以上时，可用作隔音或保温材料。

附图说明

图1实施例1的镁渣、粉煤灰、电石渣混合物烧结前后的XRD对比图

图2实施例1的镁渣、粉煤灰、电石渣混合物烧结后的微观多孔形貌图

图3实施例2的镁渣、粉煤灰、电石渣混合物烧结后的微观多孔形貌图

图4实施例3的镁渣、粉煤灰、电石渣混合物烧结后的XRD图

图5实施例5的镁渣、粉煤灰、电石渣混合物烧结后的XRD图

具体实施方式

含黄长石相的多孔材料抗压性能采用SANS-CMT5350型材料万能试验机测量；材料的总气孔率，体积密度，吸水率采用阿基米德法测量；材料的物相采用日本岛津XRD-6000型X射线衍射仪进行分析；材料的多孔结构采用电子显微镜观察。

镁渣、粉煤灰、电石渣的混合采用Rigaku-9306D型号震荡球磨机，震荡球磨后镁渣、粉煤灰、电石渣的粒径为4-50μm。

模压成型所用模具直径为20mm。成型压力为64MPa～100MPa；保压时间为50～60s左右。为便于进行力学性能测试，控制样品尺寸高度在20±1mm。

实施例1

具体步骤：

(1)镁渣、粉煤灰、电石渣三种固体废弃物按照质量比1：0.5：0.17取200g；

(2)用震荡球磨机将三种渣料进行混合，混合时间为60s；

(3)将混合均匀的粉体放置于模具之中模压成型，成型压力为95.9MPa，保压时间为60s；

(4)将成形后样品放置于马弗炉内进行高温无压烧结，升温速率为10℃/min，烧结温度为1150℃，保温时间为240min，烧结完成，静置于马弗炉内自然冷却；

(5)样品进行后续分析测试。

所测抗压强度为29.97MPa，总气孔率为33.72％，吸水率为20.10％，体积密度为1.68g/cm³。XRD物相分析，及其多孔微观形貌见附图1和2。

实施例2

具体步骤：

(1)镁渣、粉煤灰、电石渣三种固体废弃物按照质量比1：0.36：0.07取200g；

(2)用震荡球磨机将三种渣料进行混合，混合时间为60s；

(3)将混合均匀的粉体放置于模具之中模压成型，成型压力为95.9MPa，保压时间为60s；

(4)将成形后样品放置于马弗炉内进行高温无压烧结，升温速率为10℃/min，烧结温度为1150℃，保温时间为240min，烧结完成，静置于马弗炉内自然冷却；

(5)样品进行后续分析测试。

所测抗压强度为98.36MPa、总气孔率为19.6％，吸水率为8.92％，体积密度为2.09g/cm³。其微观结构如附图3所示。

实施例3

具体步骤：

(1)镁渣、粉煤灰、电石渣三种固体废弃物按照质量比1：0.42：0.25取200g；

(2)用震荡球磨机将三种渣料进行混合，混合时间为60s；

(3)将混合均匀的粉体放置于模具之中模压成型，成型压力为95.5MPa，保压时间为60s；

(4)将成形后样品放置于马弗炉内进行高温无压烧结，升温速率为10℃/min，烧结温度为1150℃，保温时间为240min，烧结完成，静置于马弗炉内自然冷却；

(5)样品进行后续分析测试。

所测抗压强度为20.70MPa，总气孔率为33.74％，吸水率为18.97％，体积密度为1.79g/cm³。其XRD物相分析如附图4所示。

实施例4

具体步骤：

(1)镁渣、粉煤灰、电石渣三种固体废弃物按照质量比1：0.25：0.42取200g；

(2)用震荡球磨机将三种渣料进行混合，混合时间为60s；

(3)将混合均匀的粉体放置于模具之中模压成型，成型压力为95.5MPa，保压时间为60s；

(4)将成形后样品放置于马弗炉内进行高温无压烧结，升温速率为10℃/min，烧结温度为1150℃，保温时间为240min，烧结完成，静置于马弗炉内自然冷却；

(5)样品进行后续分析测试。

所测抗压强度为0.87MPa，总气孔率为56.96％，吸水率为34.32％，体积密度为1.66g/cm³。

实施例5

具体步骤：

(1)镁渣、粉煤灰、电石渣三种固体废弃物按照质量比1：0.8：0.2取200g；

(2)用震荡球磨机将三种渣料进行混合，混合时间为60s；

(3)将混合均匀的粉体放置于模具之中模压成型，成型压力为95.5MPa，保压时间为60s；

(4)将成形后样品放置于马弗炉内进行高温无压烧结，升温速率为10℃/min，烧结温度为1150℃，保温时间为240min，烧结完成，静置于马弗炉内自然冷却；

(5)样品进行后续分析测试。

所测抗压强度为32.47MPa，总气孔率为28.98％，吸水率为16.10％，体积密度为1.80g/cm³。其XRD物相分析如附图5所示。

Claims (10)

1.一种含黄长石相的多孔材料的制备方法，其特征在于：将镁渣、粉煤灰、电石渣混合，所述混合物压制成型，之后烧结；镁渣:粉煤灰:电石渣的质量比为1:0.25～0.8:0.07～0.5；成型压力为60MPa～110MPa；烧结升温速率为5-15℃/min，烧结温度为1100～1200℃，保温时间为3-5小时；所述多孔材料抗压强度为0.8MPa～98.4MPa，用阿基米德法测定，总气孔率为19％～57％，体积密度为1.38～2.15g/cm³，吸水率为8.9％～34.5％。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含黄长石相的多孔材料的总气孔率为25％～42％，体积密度为1.63～1.90g/cm³，吸水率为15.0％～25.5％，抗压强度为10.0MPa～63.0MPa。

3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：镁渣:粉煤灰:电石渣的质量比为1:0.35～0.8:0.07～0.35。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，镁渣:粉煤灰:电石渣的质量比为1:0.4～0.6:0.15～0.3。

5.如权利要求1-2任一项所述的制备方法，其特征在于：成型压力为78MPa～98MPa。

6.如权利要求1-2任一项所述的制备方法，其特征在于，成型保压时间为50～80s。

7.如权利要求1-2任一项所述的制备方法，其特征在于：烧结升温速率为9-11℃/min，保温时间为210-270min。

8.如权利要求1-2任一项所述的制备方法，其特征在于：混合物中镁渣、粉煤灰、电石渣的粒径为1-100μm。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，混合物中镁渣、粉煤灰、电石渣的粒径为5-50μm。

10.一种含黄长石相的多孔材料，其特征在于：采用权利要求1-9任一项所述的制备方法制备。