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环保工程微孔陶瓷的工艺

1  前言

    近几年的《世界环境评估报告》显示,我国是一个环境污染比较严重的国。其中水污染是一个重要方面,原因主要有以下几个方面:一是我国产业发展不均衡,一产业庞大,工业水污染数量巨大;二是我国水污染的治理严重落后工业发展速度,造成污染治理的滞后;三是我国水污染治理的技术还欠发达,影响了治理的效果。因此,我国急需加大水污染治理力度,解决流域污染和工业废水排放。今后几年内我国环保行业尤其是水处理行业的发展将十分迅速,对过滤材料的需求也将越来越大(见表1)

    2、 国内外现状和技术发展趋势

    目前国外发达的水处理行业已大多采用了微孔陶瓷净化工艺、设计,利用微孔陶瓷的滤阻性、吸附性可去除污水中微米级以上的所有固体、胶体颗粒,具有净化效果好、除污量大、可重复使用等优点。同时,发达正在推广应使用微孔陶瓷作为生物酶载体的水处理技术,利用在微孔陶瓷表面繁殖的生物酶来分解净化污水中的有机废物,效果十分显著。

    我国水处理行业还大多采用石英砂过滤的工艺,存在着设备庞大、净化效果差、效率低等缺点,同时由于石英砂不能重复使用,截污后只能抛弃,因而对环境又造成二次污染。虽然有些企业开始使用微孔陶瓷过滤技术,但需花费大量外汇购买国外昂贵的微孔陶瓷。因此采用微孔陶瓷净化技术已成为我国水处理行业的当务之急。据调查,仅此一项每年国内就有900~1000万吨的需求量。国内陶瓷行业在微孔陶瓷方面才刚刚起步,生产工艺尚在摸索之中。唐山陶瓷集团有限企业与清华大学材料科学与工程学院合作,对微孔陶瓷的生产技术与产品应用进行了研究,目前已全面掌握了用于水处理行业的微孔陶瓷的生产配方、工艺技术。根据我国水处理设备的特点,成功地开发了粒度0.2~5mm,孔径5~100μm十几个品种的微孔陶瓷过滤产品(见表2),使用贫瘠粘土废矿渣以及电厂粉煤灰、玻璃厂下脚粒为原料(见表3)。

    3  产品性能

    微孔陶瓷具有吸附性、透气性、耐腐蚀性、环境相容性、生物相容性等特性,广泛应用于各种液体的过滤、气体的过滤及固定化酶载体和生物适应性载体,尤其是在环境工程上大量应用,如工业、生活用水的处理、污水的净化等方面。微孔陶瓷是一种功能型的结构陶瓷,陶瓷体内部或表面含有大量开口或闭口微小气孔,其孔径一般为微米级或亚微米级。这种多孔的固体表面特性,使其具有很大的内表面,即很大的表面能,从而具有强烈的吸附能力。

         表1    未来五年国内市场预测

项目

2001年

2002年

2003年

2004年

2005年

水处理(亿吨)

800

800

900

900

1000

过滤材料用量(万吨)

600

800

800

900

900

微孔陶瓷需求量(万吨)

15

20

50

85

100

         表2    产品配方

原料名称

粉煤灰

废玻璃

石灰石

硅灰石

粘土

合计

配方(%)

20

50

10

10

10

100

         表3   产品性能表

规格

粒径

(mm)

孔径

(μm)

比表面积

(m2/g)

滤速

(m/h)

堆积密度

(g/cm3)

体积密度

(g/cm3)

抗压强度

(Mpa)

ML1550

1.5~5

30~100

>900

20~40

0.3~0.4

0.6~0.65

30~40

ML520

0.5~1.5

10~50

>1200

40~60

0.6~0.75

0.8~1.2

50~60

M25

0.2~0.5

5~30

>1500

60~80

0.8~0.95

0.5~2.0

70~80

    4   技术及工艺特点

    其技术特点有以下四点:采用烧成发泡技术,成功地实现了闭口微孔的生成及尺寸控制;采用喷雾造粒及滚制成球技术,解决了其它生产技术不能生产小尺寸球体及球体在烧成中发生粘合等问题:低温快烧技术的采用,可使烧成能耗降低60~70%;表面物理(化学)处理技术在陶瓷行业有应用。下面着重就本项目采取的成孔技术与传统成孔技术进行对比(见表4)。

表4   本成孔技术与传统成孔对比表

发泡方法

气孔特性

成型性能

制品强度

生产效率

本项目技术

(烧成发泡法)

内部闭口,外部开口

(不影响使用)

滚制成球

骨料堆积法

全部开口(影响使用)

不易成球

可燃物烧失法

全部开口(影响使用)

不易成球

较高

低温煅烧法

全部开口(影响使用)

易成球

料浆发泡法

全部闭口(不影响使用)

不能成球

较高

    4.1  烧成发泡成孔技术

    传统的成孔技术有骨料堆积法,可燃物烧失法、低温煅烧法、机械打孔法、前驱体法、料浆发泡法等,由于各自的技术缺点,都不适合生产环保工程用微孔陶瓷。本项目的成孔技术为烧成发泡法,具有工艺简单、成本低、效率高、可控制性强等优点。其具体方法为:在原料配方中加入一定颗粒尺寸、一定体积百分含量的高温发气物质,并使之在烧成中(产品已由于产生大量液相而软化后)产生一定量的气体,从而实现产品的多孔结构,其孔隙率及气孔直径由原料配方、原料粒径,烧成温度等因素来控制。

    4.2  喷雾造粒、滚制成球技术

    采用喷雾造粒方法可制造出直径0.2~1.0mm的粉料球粒,以此为“种子”在干粉造粒机组中用“滚雪球”的方式可生产出直径1~5mm范围内任意直径的粉料球体,外形为球形或近似球形,满足用户在产品尺寸上的要求。其中的关键技术是粉料中粘合剂的选择及配方、水分的控制。采用此项技术革新成功地解决了其它制球技术(如注浆、压制)不能成型小尺寸球及成型效率低的缺点。

    4.3  低温快烧技术

    产品的烧成温度为850℃,烧成周期为2.5小时,大大低于普通陶瓷产品的烧成温度(1200~1400℃)和烧成周期(10~20小时),“低温快烧技术”使产品的耗能及烧成成本比普通陶瓷生产工艺降低了60~70%。

    4.4  表面处理技术

    表面处理技术包括以下几个方面:一是为保证产品在烧成过程中不发生粘连,在球体成型后需在球体表面涂履一层耐火度较高的矿物质,厚度约为0.1~0.5mm。二是在产品烧成之后需将此层矿物质除去并按用户要求将产品机械粗磨(细磨)处理,以使产品达到用户要求的表面粗糙度。三是有些用户对产品的表面离子或电荷有特殊的要求,因此需要用各种化学溶液(如稀酸熔液)对产品表面进行化学处理。总之,陶瓷表面处理技术是一种新型的应用技术,在陶瓷尤其是生态环境材料上的应用有重要的意义。

    5  制备工艺流程

    微孔陶瓷的制备工艺流程如图所示。

    原料→雷蒙磨细碎→分级→成品料→称量配料

                                        ↓

          成品料→称量配料→球磨 →喷雾干燥造粒→烧成→物理表面处理→水洗→化学处理

                                                                      ↓       ↓ 

                                                         成品库← 干燥分级 ← 水洗

    (1)        经检验合格的各种原料存放在原料场中,其中粉煤灰(粒度不均)、废玻璃、石灰石需用雷蒙磨细碎;硅灰石、粘土为粉状原料,直接用车通过斗式提升机经皮带输送机送入钢粒仓存储备用。生产时,大块状物料经颚式破碎机破碎到所需粒度后,由斗式提升机将物料送至储料斗,再经电磁振动给料机将料均匀定量连续地送入雷蒙磨主机磨室内进行研磨,粉磨后的粉料被风机气流带走,经分析机进行分级,符合细度的粉料随气流经管道进入大旋风收集器内,进行分离收集,再经出粉管排出即为成品粉料。成品粉料一部分经大倾角带式输送机送入钢料仓存储备用,另一部分人工送入原料球磨车间格式料仓中供球磨机使用。生产时,这五种原料的成品粉料按配方由皮带秤称量配料,经大倾角带式输送机送入钢料仓存储,使用时,由带式输送机送入干粉造粒机组的缓冲料仓中作为“滚雪球”的干粉之用。

    (2)        各种成品粉料存放在格式料仓中.使用时,经称量配料后,运料车由电动葫芦提升至球磨机平台,装入球磨机进行细磨,球磨4~5小时细度达到要求后压缩空气放浆,经过过筛后进入放浆池搅拌.用双缸泥浆泵输送经过二次过筛存入储浆池,再用双缸泥浆泵输送至喷雾干燥造粒车间的伺服罐内,供喷雾干燥塔使用。

    (3)        用柱塞泥浆泵把稳压伺服罐内的泥浆输送至喷雾干燥塔内喷雾干燥,出来的粉料经过过筛,造出直径0.2~1.0mm的粉料球粒,由大倾角带式输送机送入钢料仓存储并陈腐;使用时,由带式输送机送入干粉造粒机组的缓冲料仓中作为“滚雪球”的“种子”之用。同时,经过雷蒙磨细碎的混合粉料由带式输送机送入干粉造粒机组的缓冲料仓中作为“滚雪球”的干粉之用。在干粉造粒机组中用“滚雪球”的方式可生产出直径1~5mm范围内任意直径的粉料球体,外形为球形或近似球形,满足用户在产品尺寸上的要求。从干粉造粒机组出来的粉料球体,在转盘机中转动并涂覆上一层耐用火度较高的矿物质(硅灰石粉),厚度约为0.1~0.5mm,保证产品在烧成过程中不发生粘连。涂覆后的粉料球体由大倾角带式输送机送入钢料仓存储供烧成之用。

    (4)        将粉料球体装入耐热钢窑具中送到烧成辊道窑中进行煅烧,烧制气氛为氧化焰,以城市煤气为燃料,烧成温度850℃,烧成周期2.5h,粉料球体经予热、升温、烧成、保温、冷却制成微孔陶瓷半成品。在烧成之后需按用户要求将产品机械粗磨(细磨)处理,一是除去其表面涂覆的耐火矿物质;二是使产品达到用户要求的表面粗糙度;三是有些用户对产品的表面电荷有特殊的要求,因此需要用各种化学溶液(如稀酸溶液)对产品表面进行化学处理。因此,将微孔陶瓷半成品卸窑后存储于表面处理车间的格式料仓中供表面处理用。

    (5)        烧成后的微孔陶瓷半成品存放在格式料仓中。使用时,经人工称量后,运料车由电动葫芦提升至球磨机平台,工人装入球磨机加水进行研磨。靠微孔陶瓷半成品球体相互研磨,以除去其表面涂覆的耐火矿物质并达到用户要求的表面粗糙度。研磨0.3小时达到要求后压缩空气放磨,放入水池中带筛网的玻璃钢料斗中进行清洗,用电动葫芦提升玻璃钢料斗清洗两遍后,用电动葫芦提升玻璃钢料斗将清洗后的微孔陶瓷存放在格式料仓中除水,以备入干燥辊道窑干燥及一部分进行化学表面处理。将除过水的微孔陶瓷工人装入化学处理罐中进行化学表面处理,达到要求后用压缩空气放入浆池上带筛网的玻璃钢料斗中,将酸液(3%硝酸)过滤到浆池里,用耐酸泵将过滤后的酸液输送到化学处理罐重复使用。酸液过滤后,用电动葫芦提升玻璃钢料斗在水池中清洗两遍,再用电动葫芦提升玻璃钢料斗将清洗后的微孔陶瓷存放在格式料仓中除水,以备入干燥辊道窑干燥。

    (6)        将湿微孔陶瓷装入耐热钢窑具中送到干燥辊道窑中进行干燥,以城市煤气为燃料,干燥温度250℃,干燥周期1.5h,湿微孔陶瓷经予热、升温、冷却制成微孔陶瓷。

    (7)        干燥后的微孔陶瓷经检选分级后用大倾角带式输送机送入钢料仓存储,出厂时由皮带秤称量经槽型皮带输送机进行包装出厂。

    6 结论

    (1)     微孔陶瓷是一种硅酸盐制品,使用的原料为贫瘠粘土废矿渣以及电厂粉煤灰、玻璃厂下脚料等废弃物,每年可使用数十万吨左右,这将对保护环境、节约资源起到重要作用。

    (2)     微孔陶瓷主要应用于水处理行业,是一种过滤材料,使用它替代目前国内水处理行业使用的石英砂过滤材料后,可大大提高水处理效率,减少环境污染,降低水处理成本,提高整个行业的发展速度。同时,微孔陶瓷作为生物酶载体,在有机污水的生物降解工艺中发挥着重要的作用。

    (3)     微孔陶瓷可应用于油田采油作业、化工厂酸碱溶液过滤、各种饮料、啤酒的过滤、发酵及制糖工业,提高这些行业的产品质量及市场竞争力。

    微孔陶瓷的表面具有吸湿性,通过合理控制微孔陶瓷的孔隙率,微孔尺寸,比表面积及含水率,可实现对局部区域的干湿度调整,这在创建局部人工环境工作中具有重要意义,可广泛用于养殖、化工、轻工等行业,对改善人类居住环境也将发挥一定作用。

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