造孔劑對利用電解錳渣制備多孔陶瓷影響的研究

成 昊，葉 芬，韋 虹，石 維，吳思展

(銅仁學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300)

電解錳渣是生產(chǎn)電解錳后所產(chǎn)生的過濾酸渣，是電解錳行業(yè)的主要污染物。金屬錳是冶金、化工、新能源、航空等領(lǐng)域的重要原料，2006年年產(chǎn)量達(dá)100萬t[1]，2012年年產(chǎn)量達(dá)116萬t[2]，2016年年產(chǎn)量維持在115萬t左右。早期電解錳企業(yè)采用高品位的錳礦石生產(chǎn)電解錳，每生產(chǎn)1t電解錳產(chǎn)生6～7t電解錳渣，現(xiàn)主流的碳酸錳礦的品位下降至13%，每生產(chǎn)1t電解錳產(chǎn)生10～15t電解錳渣，目前我國露天電解錳渣堆存量超過5000萬t[3]。大量電解錳渣的堆放不僅浪費(fèi)國土資源，其滲濾液會污染當(dāng)?shù)氐乃Y源[4]，其危害是巨大的。

多孔陶瓷由于含有大量的氣孔，且具有耐酸堿腐蝕、耐高溫、抗氧化、抗紫外線等多種優(yōu)點(diǎn)可以被應(yīng)用在很多領(lǐng)域，本文根據(jù)陶瓷形成多孔的機(jī)理不同選擇了高溫造孔劑和低溫造孔劑來制備電解錳渣多孔陶瓷[5]，為電解錳渣的資源化利用提供新的途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料及配方

試驗(yàn)所用的電解錳渣來自貴州銅仁某電解錳廠，其化學(xué)組成如表1所示。選用的低溫造孔劑為日常取暖用的塊狀木炭，選用的高溫造孔劑為的SiC，試驗(yàn)的配方如表2所示。

表1 電解錳渣和頁巖的化學(xué)成分 %

表2 實(shí)驗(yàn)配方 %

1.2 制備工藝

樣品成型之前需要對木炭進(jìn)行預(yù)處理，將木炭進(jìn)行球磨過80目篩備用。樣品采用半干壓成型，成型壓力為5 kN，樣品按照表2稱量通過快速球磨機(jī)混合15 min 后，經(jīng)過噴霧造粒→陳腐24 h →裝入直徑為30 mm的磨具、成型→干燥→燒成→性能表征。最高燒成溫度分別為1130 ，1150 ，1170，1190 ℃，在最高溫度處保溫50 min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 燒成溫度對樣品厚度和直徑的影響

樣品厚度的變化率與溫度的關(guān)系曲線如圖1和圖2所示，樣品厚度變化率的計(jì)算如公式(1)所示，樣品直徑變化率的計(jì)算如公式(2)所示。從圖1中可以看到，Y0、Y1、Y2、Y3的厚度隨著溫度的升高逐漸降低，這是因?yàn)闃悠冯S著溫度的升高樣品的顆粒間間距減小，所以樣品的尺寸逐漸減小，它們的變化率逐漸升高。其中Y4的厚度變化率先升高后降低，甚至出現(xiàn)負(fù)值，這是因?yàn)閅4添加了較多的高溫發(fā)泡劑，SiC在較高溫度下分解產(chǎn)生氣體，在樣品中留下孔洞，使樣品尺寸變大[6]。

圖1 樣品厚度變化率曲線圖

圖2 樣品直徑變化率曲線圖

圖3 1190℃燒制的樣品圖片

從圖2中可以看到，樣品的直徑變化率均出現(xiàn)隨著溫度的升高而增加，在1190℃處均出現(xiàn)負(fù)值，說明樣品的直徑明顯增大，見圖3。樣品在1170℃之前沒有產(chǎn)生大量的液相，當(dāng)溫度超過1170℃出現(xiàn)了較多的液相，SiC分解產(chǎn)生氣體，在樣品中留下氣孔，使樣品尺寸增加。樣品在1190℃熱處理后，厚度降低直徑明顯增加，這是因?yàn)殡娊忮i渣含有較多的熔劑成分，使高溫液相流動性較好，說明電解錳渣高溫液相的粘度較低。另外，以木炭為造孔劑的樣品Y1和Y2的尺寸變化比以SiC為造孔劑樣品的變化小。這是因?yàn)?，隨著溫度的升高木炭被碳化留下的孔洞被液相填充，隨著溫度升高剩余的孔洞里的空氣膨脹形成氣孔使樣品的尺寸增大。以上結(jié)果顯示，以電解錳渣作為原來制備多孔陶瓷，SiC的造孔性能優(yōu)于木炭。

(1)

式中：T——樣品厚度變化率，%；

T1——樣品干燥后的厚度尺寸，cm；

T2——樣品熱處理后的厚度尺寸，cm。

(2)

式中：D——樣品厚度變化率，%；

D1——樣品干燥后的厚度尺寸，cm；

D2——樣品熱處理后的厚度尺寸，cm。

2.2 樣品的強(qiáng)度測試

選擇Y3和Y4配方，采用平鋪法，1170 ℃燒制的樣品如圖4所示。采用深圳萬測生產(chǎn)的型號為ETM105D萬能材料試驗(yàn)機(jī)，對樣品進(jìn)行了抗壓測試。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，Y3抗壓強(qiáng)度為6.55 MPa優(yōu)于Y4樣品，這是因?yàn)閅4樣品SiC含量較多，斷面出現(xiàn)尺寸較大的孔洞，Y3樣品孔洞較小所以結(jié)構(gòu)相對致密，有利于強(qiáng)度的提高。

圖4 1170℃燒制的樣品圖片

圖5 1170℃燒制的樣品斷面圖片

樣品編號溫度/℃抗壓強(qiáng)度/MPaY311706.55Y44.52

3 結(jié)論

(1)電解錳渣可以用來制備多孔的陶瓷，高溫造孔劑SiC比低溫造孔劑木炭容易使樣品的尺寸增大，產(chǎn)生大量的孔洞。

(2)以SiC為造孔劑在1170℃熱處理的Y3樣品的抗壓強(qiáng)度為6.55MPa，樣品的抗壓強(qiáng)度與SiC的摻入量有關(guān)。