水凈化處理用多孔玻璃纖維的研制

安春愛，劉博林

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

在水的凈化處理中，對(duì)于懸浮微粒的處理，通常采用過濾和吸附兩種工藝過程，目前多采用活性炭、多孔陶瓷粒、多孔玻璃珠、多孔樹脂等介質(zhì)材料達(dá)到上述目的，但均存在一定不足[1]。隨著科學(xué)的發(fā)展，特別是各種先進(jìn)測(cè)試儀器的出現(xiàn)，人們對(duì)玻璃性能的認(rèn)識(shí)越來(lái)越廣泛。如采用X-射線衍射儀，研究了微晶玻璃在酸浸析前后的晶相及其變化，借助掃描電子顯微鏡觀察了多孔玻璃的微觀結(jié)構(gòu)[2]。多孔玻璃適合用做吸附劑、催化劑載體和藥物緩釋劑等，在環(huán)境、生物、醫(yī)學(xué)和化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)代工程技術(shù)中均有廣泛的應(yīng)用。玻璃纖維是一種極細(xì)的纖維狀材料，它可以制成紗、布、帶、氈、板、管殼等各種形狀的制品。各種方法生產(chǎn)的玻璃纖維都呈光滑的圓柱狀，其截面在全長(zhǎng)范圍內(nèi)均呈完整的圓形。與有機(jī)纖維非圓形截面顯然不同，它的表面就不像有機(jī)纖維呈皺紋狀，而是相當(dāng)光滑，因而纖維間的抱合力非常小。用它造紙，強(qiáng)度不高，但用作過濾材料，對(duì)流體的阻力比有機(jī)纖維小。玻璃纖維的吸水作用也比有機(jī)纖維小的多[3]。

本文將玻璃纖維制成多孔玻璃纖維，將它們的各個(gè)性能結(jié)合到一起，應(yīng)用到水凈化處理中。多孔玻璃纖維用于水凈化處理，最大優(yōu)點(diǎn)在于制品為96%以上的SiO2組成，性能穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)水產(chǎn)生二次污染，多孔玻璃纖維中均勻分布著直徑以?為單位的孔，孔隙率和孔徑可通過制備工藝來(lái)進(jìn)行調(diào)整，為制備優(yōu)良的水凈化處理材料奠定了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 玻璃原料配比與熔制工藝

在Na2O-B2O3-SiO2三元不混溶區(qū)域圖內(nèi)選取玻璃成分，考慮氣孔率的要求，適當(dāng)減少SiO2含量而增加Na2O-B2O3含量。引入適量的Al2O3，因Al3+在玻璃中能優(yōu)先奪取游離氧形成[AlO4]進(jìn)入硅氧骨架，促進(jìn)玻璃分相[4]。Al2O3的引入量一般不超過3%，否則玻璃熔化溫度過高，難以熔化。以少量Sb2O3作為玻璃熔制的澄清劑，玻璃配方如表1。

表1 玻璃配方(w t%)Tab.1 The for mulaof glass(wt%)

玻璃的配合料在容積為400mL的剛玉坩堝內(nèi)，用硅鉬棒電阻爐熔制。加料溫度為1370℃，熔融澄清溫度為1450±10℃，于1200℃出爐，澆注成型，送入馬弗爐中，于500℃退火。玻璃熔制工藝曲線如圖1所示[5]。

圖1 玻璃的熔制工藝曲線Fig.1 The curve of the melting process of the glass

1.2 玻璃纖維的制備與處理

將制得的玻璃加熱到拉絲粘度的溫度1050℃，拉制成直徑10μm左右的玻璃纖維。分別稱量一定量的玻璃纖維分為三組，其中兩組在620℃、一組在580℃下進(jìn)行熱處理，記錄熱處理時(shí)間(見表2)。為了觀察明顯，每組樣品配以同樣玻璃的塊狀玻璃作為現(xiàn)象觀察參照物。當(dāng)塊狀玻璃由透明變?yōu)槿榘咨珪r(shí)，即玻璃纖維也就從透明變?yōu)槿榘咨?，證明玻璃分相已基本結(jié)束。

玻璃纖維分相后，在濃度為2mol/L的HCl溶液中進(jìn)行酸浸處理，使玻璃纖維中分出的Na2O-B2O3相溶解于酸。為使玻璃纖維穩(wěn)定不炸裂，酸中加入適量濃度為40%的NH4Cl溶液作為緩沖劑。酸處理是在恒溫95℃條件下進(jìn)行。酸處理以玻璃纖維從乳白色變?yōu)橥该鳛橹?。然后?jīng)水洗、脫水、烘干，得到多孔玻璃纖維。

2 性能測(cè)試

利用北京波奧德電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的“孔隙及比表面積測(cè)定儀”，測(cè)定多孔玻璃纖維樣品的孔隙及比表面積，主要控制參數(shù)如下：初始?jí)毫?5000Pa，遞進(jìn)壓力8000Pa，真空處理10min，吸附120s，脫附120s，測(cè)試結(jié)果見圖2和表3。

3 結(jié)果與討論

3.1 熱處理?xiàng)l件對(duì)氣孔率的影響

表2為樣品在不同熱處理?xiàng)l件下得到的多孔玻璃纖維的氣孔率。從表2中數(shù)據(jù)可以看出，分相熱處理的溫度和時(shí)間直接影響多孔玻璃纖維的氣孔率。在相同的溫度下，熱處理時(shí)間越長(zhǎng)，氣孔率越大；同樣，在相同的熱處理時(shí)間下，熱處理溫度越高，氣孔率也就越大。適當(dāng)延長(zhǎng)分相熱處理的時(shí)間，樣品的氣孔率變化較大。其原因是由于熱處理的時(shí)間延長(zhǎng)，玻璃分相較充分，鈉硼相液滴聚集變大，有利于酸浸，故得到的樣品的氣孔孔徑加大，氣孔率也較大。

表2 熱處理?xiàng)l件對(duì)多孔玻璃纖維氣孔率的影響Tab.2 Effect of the heattreat mentcondition sonthe porosity of the poros glass fiber

3.2 樣品的孔隙及比表面積

圖2 試樣1的BJ E吸附孔體積分布圖Fig.2 The adsorption porevolume profile of the No.1 sample

采用孔隙及比表面積測(cè)定儀，測(cè)量了多孔玻璃纖維的孔徑，孔徑分布如圖2所示。由圖2可知孔半徑主要分布于10～100?之間。比表面積如表3，由表3可知在該孔徑分布情況下氣孔率與比表面積之間成正比關(guān)系。

表3 試樣的比表面積Tab.3 The speci ficsur facearea of the samples

3.3 影響氣孔率的因素

在Na2O-B2O3-SiO2系統(tǒng)玻璃中，影響氣孔率大小的最關(guān)鍵問題是玻璃分相。即控制多孔玻璃氣孔率的關(guān)鍵在于對(duì)分相過程的控制[6]?？刂撇ＡХ窒嗤ǔＳ幸韵聝蓚€(gè)途徑：

① 改變玻璃配方中各組分的配比

原則上玻璃組分處在不混溶區(qū)域內(nèi)就可使玻璃分相，為了保證分相后氧化硅形成的硅氧骨架的完整性，SiO2的含量必須在55%以上。而氣孔率則是由分相后Na2O-B2O3相溶出所形成的氣孔的多少來(lái)決定。這就是說(shuō)，改變兩相的比率，即在SiO2的含量不低于55%的情況下，適當(dāng)減少SiO2的含量，提高Na2O-B2O3含量就可達(dá)到增加氣孔率的目的[7]。

②改變分相熱處理的條件

多孔玻璃的性質(zhì)，如孔徑、孔的連接和孔徑分布的均勻程度都由分相過程直接決定。DTA的結(jié)果顯示分相最適宜的溫度是在520℃到729.7℃的范圍內(nèi)[8]。在玻璃分相熱處理范圍內(nèi)，熱處理的溫度越高，分相越徹底。在熱處理溫度一定的條件下，時(shí)間越長(zhǎng)，分相也越徹底。分相越徹底，Na2O-B2O3相與SiO2相的分離也就越完全，分離出來(lái)的Na2O-B2O3的量也就越多，則氣孔率也就越大。

3.4 水中濁度的測(cè)定

表4 利用多孔玻璃纖維處理水樣濁度對(duì)比Tab.4 The contrast of turbidityh and ledby the porous glass fiber

利用美國(guó)產(chǎn)2100P型便攜式濁度儀對(duì)取自長(zhǎng)春市5個(gè)不同地點(diǎn)的自來(lái)水水樣進(jìn)行了濁度去除效果試驗(yàn)，主要控制參數(shù)為：pH值為6.5～7.5之間，水溫為20℃～25℃，從處理效果看，水中濁度去除效果明顯，處理前后水質(zhì)指標(biāo)對(duì)比見表4。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，水樣濁度在9.65～10.90NTU范圍內(nèi)時(shí)，利用多孔玻璃纖維處理后濁度去除率在85%以上，達(dá)到GB5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中的要求。

4 結(jié)論

以Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2系統(tǒng)玻璃制成纖維，再經(jīng)過分相熱處理、酸溶、水洗、烘干，可得到具有一定氣孔率的多孔玻璃纖維。以玻璃棉、玻璃纖維氈的形式用于水凈化處理。

用以制造多孔玻璃纖維的玻璃，采用Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2系統(tǒng)時(shí)，在SiO2不低于55%的前提下，可適當(dāng)降低SiO2含量，而相應(yīng)提高Na2O-B2O3的含量，有利于提高其氣孔率。

在分相熱處理溫度內(nèi)，選擇適當(dāng)?shù)臒崽幚頊囟扰c時(shí)間，可得到所需要的微孔孔徑。

利用制備的多孔玻璃纖維進(jìn)行水凈化處理，結(jié)果表明，水樣濁度在9.65～10.90NTU范圍內(nèi)時(shí)，利用多孔玻璃纖維處理后濁度去除率在85%以上，效果良好。

[1]許建華.水的特種處理[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1989.

[2]Monem A S，EIBatal H A.E，Khalil E M，et al.In vivo behavior of bioactive phosphate glass-ceramics from the system P2O5-Na2O-CaO containing TiO2[J].J Mater Sci：Mater Med，2008，(19)：1097-1108.

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[5]曹志峰，張希艷，趙志強(qiáng).多孔玻璃微珠的研制[J].光學(xué)技術(shù)報(bào)，1998(4)：5-6.

[6]李楊，韓高榮，應(yīng)浩.鈉硼硅玻璃分相的研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2006(5)：152-154.

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