陶瓷废料制备多孔陶瓷填料的探索

梁昌金 林少敏 刘桂文

摘 要：随着我国工业化进程的不断发展，陶瓷和电镀行业各自面临着重要的污染问题。以陶瓷废料为原料制备多孔陶瓷用作电镀废水处理的填料，是解决两大行业污染问题的有利途径。从实验室角度出发，利用不同制备方法的正交实验设计，获得了气孔率、吸附率、抗压和抗腐蚀强度都比较好的多孔陶瓷，可用作后续电镀废水处理填料的备选材料。

关键词：陶瓷废料;电镀废水;多孔陶瓷;吸附剂

1 前 言

随着我国城市化进程的加快，我国陶瓷产量已占世界陶瓷总产量的65%以上。但是在陶瓷产品的生产过程中，从原料处理、混料、球磨到坯体制备、烧成、干燥等全过程都会产生废料。此外，还有各种废弃的建筑陶瓷用品、日用生活陶瓷、专用陶瓷的废料等[1]。这些废料通常采用简单的填埋方式进行处理和处置，不仅占地面积大，而且不可避免地导致了严重的环境污染。显然，回收陶瓷废料有助于节约资源和解决问题[2，3]。通过添加造孔剂，陶瓷废料做原料可以生产多孔陶瓷，用于轻质建材，或吸附和过滤材料是一种比较环保的回收利用方式[4]。

电镀行业既为我国的重要工业也是高污染行业。电镀废水污染严重，其中含有铅、铬、镉等有毒或有害的重金属，处理难度大[5]。废水中的铬有三价和六价两种，三价铬毒性相对来说较低，可以以氢氧物的状态沉淀;六价铬的毒性强，是三价铬的百倍。Cr3+与Cr6+可以在一定条件下转化，Cr6+会直接造成环境污染，因此Cr3+对环境具有隐性威胁[6，7]。电镀废水中重金属的处理方法主要有化学沉淀法、离子交换法、吸附法、膜分离法、电化学法、生物法等，其中吸附法操作简单、成本低，对污染物质的选择性小，是一种常用的方法[8]。本文从实验室角度出发，研究使用陶瓷废料为原料，以稻壳粉末为造孔剂，制备多孔陶瓷，用于吸附模拟电镀废水中的Cr3+。

2实验部分

2.1实验材料

陶瓷废料：取自枫溪某日用陶瓷厂，用来增加强度;

素烧前后的粘土废料：取自学校拉坯室素烧前后的陶泥废料，用来增加可塑性;

废玻璃：取自某玻璃制品加工商的碎玻璃，用来增加粘结性;

稻壳：取自某稻米加工厂，粉碎后作造孔剂。

2.2 主要实验设备

2.3多孔陶瓷的制备

将陶瓷废料、素烧前后的粘土废料、废玻璃及稻壳按不同比例混合后用粉碎机粉碎，过100目的标准筛。粉末充分混合后加水做成泥料，控制含水率在60%-70%。为保证烧成充分及后期易破碎，用蜂窝制样器压制成蜂窝状坯体（如图1a所示）。坯体在电热恒温鼓风干燥箱中烘干后放入窑炉按照一定的烧成曲线烧制成型（如图1b所示）。

为提高实验效率，快速找到不同配方及烧制条件对多孔陶瓷性能的影响，采用正交实验设计，考察造孔剂含量、粘结剂含量、烧成温度及保温时间四个影响因素，每个因素取3个不同水平，设计成4因素3水平的正交实验。具体设计如下表所示：

2.4 多孔陶瓷的性能测试

另取上述不同配方的泥料压制成试块，按照相同的烧成曲线烧制成型。用真空吸水率仪测其孔隙率，用万能试验机测其抗压强度，用扫描电镜观察颗粒形貌，并对吸附效果最好的一组做耐腐蚀实验。

2.5吸附实验

采用颚式破碎机将烧好的多孔陶瓷破碎后选取20-40目之间的颗粒用去离子水冲洗，洗掉表面粘附的粉末后105℃烘干做Cr（III）的吸附实验。

取5g颗粒放入100mL锥形瓶中，加入50mL浓度为10mg/L，pH为7.5的Cr（III）溶液，然后将锥形瓶封口放入恒温水浴振荡器中，25℃，150r/min震荡吸附24h后离心取上清液过0.45μm滤膜，用原子吸收分光光度计测定上清液中Cr（III）的浓度，按以下公式计算吸附率：

吸附率=×100%                                             ⑴

式中：C0—溶液中Cr（III）的初始浓度，mg/L;C—吸附后上清液中Cr（III）的浓度，mg/L。

3结果与讨论

3.1 不同配方对气孔率、抗压强度及吸附率的影响

不同制备条件下多孔陶瓷的各种性能测试结果如表3。

气孔率是陶瓷材料致密程度的表征。普通陶瓷需要气孔率越低越好，而本实验制备的多孔陶瓷完全相反，是需要气孔率越高越好，气孔率越高，则比表面积越大，表面能越高，吸附效果越好。由表3可见，实验8的气孔率是36.14%，此时的造孔剂用量为15%，粘结剂的用量为10%，烧成温度为1000℃，保温时间为90min。由极差R可知，造孔剂的用量对气孔率的影响效果最明显。

抗压强度是指多孔陶瓷在原始状态不受损伤时所能承受的最大壓力。测试多孔陶瓷的抗压强度是后续其做污水处理填料的重要指标。由表3可知，实验5样品的抗压强度为34.1 MPa，造孔剂的用量对抗压强度影响显著。多孔陶瓷最主要的破坏不是塑性形变，而是脆性裂纹形变。综合比较，各实验的抗压强度差别不大，结构相对坚固，满足作为污水处理填料的要求。

通过模拟电镀废水中Cr（III）的吸附可以看出，气孔率的多少直接影响着吸附效果。可见多孔陶瓷对Cr（III）的吸附主要属于物理吸附，且吸附效果一般，后续如做电镀废水填料吸附剂使用，需通过提高孔隙率或改性来提高其吸附性能。

3.2 耐腐蚀性

电镀废水的种类很多，其中的酸洗废水的pH在2以下[5]。因此，要求废水处理填料要有一定的耐腐蚀性。由正交实验结果可知，实验8的孔隙率及吸附效果最好，且抗压强度较高，拟作后续应用，因此选取实验8所得的样品做酸碱耐腐蚀实验。将样品放在百分之二十的硫酸溶液（或百分之一的氢氧化钠溶液）中煮沸60min，重量比腐蚀前重量减少的百分比率，就是这个样品的耐酸腐蚀重量损失率。具体测试结果如表4。

从对实验8所得样品的耐腐蚀性试验结果可以看出，样品重量损失很小，低于2%，可能是由样品中一些粉末颗粒及不稳定的化学物质引起，但总体来说耐腐蚀性良好。

3.3 SEM分析

选取吸附效果好的3个样品（实验7、8、9）进行了简单的SEM形貌测试。

从图2可见，1000℃时得到的气孔分布较好。1200℃时得到的气孔最少，这是因为高温烧结时，温度达到了部分组分的熔点，熔融形成玻璃相，填充了有机物烧失后留下的气孔，堵塞微孔，同时也使宏孔变小，从而导致气孔率下降。因此，除造孔剂外，烧成温度也是影响吸附率的一个重要因素。

4结论

通过正交实验结果可知，实验8，即：造孔剂用量为15%，粘结剂的用量为10%，烧成温度为1000℃，保温时间为90min，烧制的多孔陶瓷样品孔隙率和吸附率都比较高，配方中造孔剂的含量对二者的影响比较显著。SEM图片显示，烧制温度对气孔分布也有较大的影响。经抗压和耐腐蚀测试显示有较好的耐压强度和抗腐蚀性，适合用作后期的电镀废水处理填料。后续如果能在不影响样品耐性的條件下，通过改变完善配方或者改性来提高气孔率和吸附效果，所得的多孔陶瓷样品会更有工业使用价值。

参考文献

[1] 侯来广，曾令可.陶瓷废料的综合利用现状[J] .中国陶瓷工业，2005， （04）：41-44.

[2] 郑秀亮.陶瓷废料不再“废”[J] .环境，2012， （10）：20-22.

[3] 龙海仁.多孔陶瓷的制备[J] .陶瓷. 2016， （5）：28-36.

[4] Lan Haoran， Zhang Yafei， Cheng Mingzhao， et al. An intelligent humidity regulation material hydrothermally synthesized from ceramic waste [J]. Journal of Building Engineering， 2021， 40， 102336.

[5] 陈莎莎，潘浩宇，陈然，等.电镀废水处理回用工艺优化与工程实践[J].复旦学报（自然科学版），2014，53（02）：249-254.

[6] 魏婧婧.赤泥质多孔陶瓷材料的制备及对重金属Cr（Ⅵ）吸附的研究[D].广西大学，2014年

[7] 林文杰.电镀废水的铬污染特征及调控[J].环境科学与技术，2010，33（08）：156-158.

[8] 王文星. 电镀废水处理技术研究现状及趋势[J].电镀与精饰，2011，33（05）：42-46.