水净化处理用多孔玻璃纤维的研制

安春爱，刘博林

(长春理工大学 材料科学与工程学院，长春 130022)

在水的净化处理中，对于悬浮微粒的处理，通常采用过滤和吸附两种工艺过程，目前多采用活性炭、多孔陶瓷粒、多孔玻璃珠、多孔树脂等介质材料达到上述目的，但均存在一定不足[1]。随着科学的发展，特别是各种先进测试仪器的出现，人们对玻璃性能的认识越来越广泛。如采用X-射线衍射仪，研究了微晶玻璃在酸浸析前后的晶相及其变化，借助扫描电子显微镜观察了多孔玻璃的微观结构[2]。多孔玻璃适合用做吸附剂、催化剂载体和药物缓释剂等，在环境、生物、医学和化学反应等现代工程技术中均有广泛的应用。玻璃纤维是一种极细的纤维状材料，它可以制成纱、布、带、毡、板、管壳等各种形状的制品。各种方法生产的玻璃纤维都呈光滑的圆柱状，其截面在全长范围内均呈完整的圆形。与有机纤维非圆形截面显然不同，它的表面就不像有机纤维呈皱纹状，而是相当光滑，因而纤维间的抱合力非常小。用它造纸，强度不高，但用作过滤材料，对流体的阻力比有机纤维小。玻璃纤维的吸水作用也比有机纤维小的多[3]。

本文将玻璃纤维制成多孔玻璃纤维，将它们的各个性能结合到一起，应用到水净化处理中。多孔玻璃纤维用于水净化处理，最大优点在于制品为96%以上的SiO2组成，性能稳定，不会对水产生二次污染，多孔玻璃纤维中均匀分布着直径以Å为单位的孔，孔隙率和孔径可通过制备工艺来进行调整，为制备优良的水净化处理材料奠定了基础。

1 实验

1.1 玻璃原料配比与熔制工艺

在Na2O-B2O3-SiO2三元不混溶区域图内选取玻璃成分，考虑气孔率的要求，适当减少SiO2含量而增加Na2O-B2O3含量。引入适量的Al2O3，因Al3+在玻璃中能优先夺取游离氧形成[AlO4]进入硅氧骨架，促进玻璃分相[4]。Al2O3的引入量一般不超过3%，否则玻璃熔化温度过高，难以熔化。以少量Sb2O3作为玻璃熔制的澄清剂，玻璃配方如表1。

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

玻璃的配合料在容积为400mL的刚玉坩埚内，用硅钼棒电阻炉熔制。加料温度为1370℃，熔融澄清温度为1450±10℃，于1200℃出炉，浇注成型，送入马弗炉中，于500℃退火。玻璃熔制工艺曲线如图1所示[5]。

图1 玻璃的熔制工艺曲线Fig.1 The curve of the melting process of the glass

1.2 玻璃纤维的制备与处理

将制得的玻璃加热到拉丝粘度的温度1050℃，拉制成直径10μm左右的玻璃纤维。分别称量一定量的玻璃纤维分为三组，其中两组在620℃、一组在580℃下进行热处理，记录热处理时间(见表2)。为了观察明显，每组样品配以同样玻璃的块状玻璃作为现象观察参照物。当块状玻璃由透明变为乳白色时，即玻璃纤维也就从透明变为乳白色，证明玻璃分相已基本结束。

玻璃纤维分相后，在浓度为2mol/L的HCl溶液中进行酸浸处理，使玻璃纤维中分出的Na2O-B2O3相溶解于酸。为使玻璃纤维稳定不炸裂，酸中加入适量浓度为40%的NH4Cl溶液作为缓冲剂。酸处理是在恒温95℃条件下进行。酸处理以玻璃纤维从乳白色变为透明为止。然后经水洗、脱水、烘干，得到多孔玻璃纤维。

2 性能测试

利用北京波奥德电子技术有限公司生产的“孔隙及比表面积测定仪”，测定多孔玻璃纤维样品的孔隙及比表面积，主要控制参数如下：初始压力25000Pa，递进压力8000Pa，真空处理10min，吸附120s，脱附120s，测试结果见图2和表3。

3 结果与讨论

3.1 热处理条件对气孔率的影响

表2为样品在不同热处理条件下得到的多孔玻璃纤维的气孔率。从表2中数据可以看出，分相热处理的温度和时间直接影响多孔玻璃纤维的气孔率。在相同的温度下，热处理时间越长，气孔率越大；同样，在相同的热处理时间下，热处理温度越高，气孔率也就越大。适当延长分相热处理的时间，样品的气孔率变化较大。其原因是由于热处理的时间延长，玻璃分相较充分，钠硼相液滴聚集变大，有利于酸浸，故得到的样品的气孔孔径加大，气孔率也较大。

表2 热处理条件对多孔玻璃纤维气孔率的影响Tab.2 Effect of the heattreat mentcondition sonthe porosity of the poros glass fiber

3.2 样品的孔隙及比表面积

图2 试样1的BJ E吸附孔体积分布图Fig.2 The adsorption porevolume profile of the No.1 sample

采用孔隙及比表面积测定仪，测量了多孔玻璃纤维的孔径，孔径分布如图2所示。由图2可知孔半径主要分布于10～100Å之间。比表面积如表3，由表3可知在该孔径分布情况下气孔率与比表面积之间成正比关系。

表3 试样的比表面积Tab.3 The speci ficsur facearea of the samples

3.3 影响气孔率的因素

在Na2O-B2O3-SiO2系统玻璃中，影响气孔率大小的最关键问题是玻璃分相。即控制多孔玻璃气孔率的关键在于对分相过程的控制[6]。控制玻璃分相通常有以下两个途径：

① 改变玻璃配方中各组分的配比

原则上玻璃组分处在不混溶区域内就可使玻璃分相，为了保证分相后氧化硅形成的硅氧骨架的完整性，SiO2的含量必须在55%以上。而气孔率则是由分相后Na2O-B2O3相溶出所形成的气孔的多少来决定。这就是说，改变两相的比率，即在SiO2的含量不低于55%的情况下，适当减少SiO2的含量，提高Na2O-B2O3含量就可达到增加气孔率的目的[7]。

②改变分相热处理的条件

多孔玻璃的性质，如孔径、孔的连接和孔径分布的均匀程度都由分相过程直接决定。DTA的结果显示分相最适宜的温度是在520℃到729.7℃的范围内[8]。在玻璃分相热处理范围内，热处理的温度越高，分相越彻底。在热处理温度一定的条件下，时间越长，分相也越彻底。分相越彻底，Na2O-B2O3相与SiO2相的分离也就越完全，分离出来的Na2O-B2O3的量也就越多，则气孔率也就越大。

3.4 水中浊度的测定

表4 利用多孔玻璃纤维处理水样浊度对比Tab.4 The contrast of turbidityh and ledby the porous glass fiber

利用美国产2100P型便携式浊度仪对取自长春市5个不同地点的自来水水样进行了浊度去除效果试验，主要控制参数为：pH值为6.5～7.5之间，水温为20℃～25℃，从处理效果看，水中浊度去除效果明显，处理前后水质指标对比见表4。

实验数据表明，水样浊度在9.65～10.90NTU范围内时，利用多孔玻璃纤维处理后浊度去除率在85%以上，达到GB5749-2006《生活饮用水卫生标准》中的要求。

4 结论

以Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2系统玻璃制成纤维，再经过分相热处理、酸溶、水洗、烘干，可得到具有一定气孔率的多孔玻璃纤维。以玻璃棉、玻璃纤维毡的形式用于水净化处理。

用以制造多孔玻璃纤维的玻璃，采用Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2系统时，在SiO2不低于55%的前提下，可适当降低SiO2含量，而相应提高Na2O-B2O3的含量，有利于提高其气孔率。

在分相热处理温度内，选择适当的热处理温度与时间，可得到所需要的微孔孔径。

利用制备的多孔玻璃纤维进行水净化处理，结果表明，水样浊度在9.65～10.90NTU范围内时，利用多孔玻璃纤维处理后浊度去除率在85%以上，效果良好。

[1]许建华.水的特种处理[M].上海：同济大学出版社，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.

[3]西北轻工业学院.玻璃工艺学[M].北京：轻工业出版社，1982.

[4]曹志峰，张希艳.多孔玻璃微珠的研制及其吸附性能的研究[J].硅酸盐学报，2002(3)：402-406.

[5]曹志峰，张希艳，赵志强.多孔玻璃微珠的研制[J].光学技术报，1998(4)：5-6.

[6]李杨，韩高荣，应浩.钠硼硅玻璃分相的研究[J].硅酸盐通报，2006(5)：152-154.

[7]曹志峰.特种光学玻璃[M].北京：兵器工业出版社，2003.

[8]HAN Jianjun，XU Feng，LIU Jiandang，et al.Effect of Thermal and Acid Leaching Process on Pore Characteristics of Nanometer Porous glass[J].Journal of Wuhan University of Technology-Mater Sci Ed，2007(2)：129-131.