第22卷第1期2008年1月
济南大学学报(自然科学版)
JOURNALOFUNIVERSITYOFJINAN(Sci.＆Tech.)
Vol.22 No.1
Jan.2008
文章编号:1671-3559(2008)01-0066-06
多孔陶瓷材料在环境工程中的应用
刘树元,杨焱明,刘 庆,郑显鹏,杜 斌
(济南大学化学化工学院,山东济南250022)
摘 要:综述多孔陶瓷材料在污水处理、大气污染控制、固体废物处理及噪声控制等方面的应用研究现状。阐述多孔陶瓷材料在环境工程中应用的吸附、筛滤等机理及孔隙率、孔径、孔径分布等参量指标是影响多孔陶瓷材料作为环境功能材料性能的决定因素。其韧性、脆性和形貌的控制及再生利用等是当前研究的热点和难点。低成本、大规模以及与生物技术相结合是多孔陶瓷材料研究的发展趋势。关键词:多孔陶瓷;工程材料;环境工程;应用中图分类号:X24
文献标识码:A
1 多孔陶瓷材料概述
多孔陶瓷是一种经高温烧成、内部具有大量彼
此相通并与材料表面也相贯通的孔隙结构的陶瓷材料。
1.1 基本类型
通常按照多孔陶瓷材料孔隙形貌的不同,可分为两类:即蜂窝陶瓷材料和泡沫陶瓷材料。前者的孔隙形成二维排列,后者则由中空多面体(孔隙)作三维排列。泡沫陶瓷材料还可进一步细分为开孔(或网状)陶瓷材料以及闭孔陶瓷材料。根据孔隙尺寸的大小,可将多孔陶瓷材料进行
[13]
以下分类:孔隙直径小于2nm的为微孔材料,孔隙直径在2～5nm之间的为介孔材料,孔隙在50nm以上的为宏孔材料。类
[14-15]
[11-12]
多孔材料的概念是相对于其对应的密实材料提出来的。顾名思义,多孔材料是指一类包含大量孔隙的材料。由于其优异的物理、力学性能,多孔材料
已成为一种优秀的工程材料,具有功能和结构的双重属性,是—类广为使用而又具有巨大应用潜力的功能结构材料。多孔材料按照构成材质的不同可简单地分为多孔金属材料、多孔陶瓷材料和泡沫塑料。
多孔陶瓷是一种新型的陶瓷材料,其制造始于20世纪50年代末。随着制备工艺技术的不断提高以及各种高性能产品的不断出现,多孔陶瓷材料的应用领域和应用范围也在不断扩大。因为多孔陶瓷材料具有透过性好、密度低、硬度高、比表面积大、热导率小及耐高温、耐腐蚀等优良特性,因此广泛地应用于冶金、化工、环保、能源、生物、食品、医药等领域,用作过滤、分离、扩散、布气、隔热、吸声、化工填料、生物陶瓷、化学传感器、催化剂和催化剂载体等元件材料
[1-10]
按材质的不同,多孔陶瓷主要有以下几
:(1)高硅质硅酸盐材料,它主要以硬质瓷渣、耐
酸陶瓷渣及其他耐酸的合成陶瓷颗粒为骨料,具有耐水性、耐酸性,使用温度达700℃。
(2)铝硅酸盐材料,它以耐火粘土熟料、烧矾土、硅线石和合成莫来石颗粒为骨料,具有耐酸性和耐弱碱性,使用温度达1000℃。
(3)精陶质材料,它以多种粘土熟料颗粒与粘土等混合烧结,得到微孔陶瓷材料。(4)硅藻土质材料,它主要以精选硅藻土为原料,加粘土烧结而成,用于精滤水和酸性介质。
(5)纯炭质材料,它以低灰分煤或石油沥青焦颗粒为原料,或加入部分石墨,用稀焦油粘结烧制而成,用于耐水、冷热强酸、冷热强碱介质以及空气的消毒和过滤等。
(6)刚玉和金刚砂材料,它以不同型号的电熔刚玉和碳化硅颗粒为骨料,具有耐强酸、耐高温的特,1600℃。
。
早在20世纪70年代,多孔陶瓷就巳作为细菌过滤元件使用。经过30多年的发展,该材料目前在环境工程领域已用于工业废气废水处理、汽车尾气处理等诸多方面,促进了环保事业的发展。
收稿日期:2007-08-08基金项目:国家自然科学基金(20557016)作者简介:刘树元(1971-),男,吉林长春人,硕士生;杜 斌
,,,
第1期刘树元,等:多孔陶瓷材料在环境工程中的应用
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(7)堇青石、钛酸铝材料,其特点是热膨胀系数小,因而广泛用于热冲击环境。
(8)其他,即采用工业废料、尾矿和石英玻璃或普通玻璃为原料制成的材料,视原料组成用于不同
的场合。1.2 特性
多孔陶瓷材料除具有相对密度小、比表面积大、热导率低、比强度高及吸附性能好等多孔材料的共同属性外,还具有如下特性
[16]
偏离。这就是说,对于每一个基本参量,都有很多的方法可以测量和表征它,但由于试验方法的不同,所得结果住往具有一定的差异。所以,对于常规性的参量测定,出具的结果和数据应附注说明检测方法。
表1 多孔陶瓷材料的基本参量及其表征方法
基本参量
显微分析法
直接称重体积计算法浸泡介质法
孔隙率
真空浸渍法漂浮法压汞法
断面直接观察法气泡法悬浮液过滤法
孔径及孔径分布
气体吸附法
X射线和中子的小角度散射透过法压汞法
孔隙形貌
射线透视检查法层析X射线投影气体吸附法
比表面积
流体透过法压汞法
[22][23][21][21][23][23][22][21][21]
时间滞后法
表征手段
参考文献[18][19][20][21][21][21][18][21][21][21]
:
(1)化学稳定性好,即选择合适的材质和工艺,可制成适应各种腐蚀环境的多孔制品。
(2)机械强度和刚度高,即在气压、液压或其他应力负载下,孔隙形状与尺寸不会发生变化。
(3)耐热性佳,即由耐高温陶瓷制成的多孔体可对熔融钢水或高温燃气等进行过滤。(4)孔隙率高,可达20%～95%,且孔径分布均匀和大小可控,渗透率高。
(5)体积密度小,具有发达的比表面积及独特的表面特性。
(6)自身洁净状态好,无毒无味、无异物脱落,不会产生二次污染。
(7)再生性强,通过用液体或气体反冲洗,可基本恢复原有过滤能力,从而具有较长的使用寿命,同时抗菌性能好,不易被细菌降解。
1.3 基本参量及其表征
因为多孔陶瓷是由固相和通过固相形成的孔隙所组成的复合体,所以它区别于普通密实固体材料的最显著特点是具有有用的孔隙。这就是说,凡是应用到多孔材料的场合,都无一例外地利用了其具有孔隙的特点,或者说,就是利用其孔隙本身。因此,多孔陶瓷基本的参量应是直接表征其孔隙性状的指标,如孔隙率、孔径、孔径分布、比表面积等。其中孔隙率指标又是这些基本参量中的主要指标,因为它对多孔材料力学、物理和化学等方面性能的影响最为显著。当然,多孔陶瓷的性能也在很大程度上依赖于孔隙形貌、孔隙尺寸及其分布。
多孔陶瓷材料的基本参量包括孔隙率、孔径与孔径分布、孔隙形貌、孔隙特性、比表面积等5个方面。其基本的检验测试手段包括物理、光学等各种方法,如表1所示。
多孔材料的各个基本参量,包括孔隙率、孔径及孔径分布、比表面积等,都是多孔体本身所固有的特性指标。它们本身并不随检测方法而变化,但采用[17]
2 在环境工程中的应用
多孔陶瓷材料优良物理和力学性能使其得到了较大的发展和工业应用,成为环境工程领域关注的热点,是一种很有发展前景的生态环境材料,在环境治理和除污防毒工程中得到了广泛应用和推广。2.1 在废水治理中的应用2.1.1 原理
由于多孔陶瓷特殊的结构,当滤液通过时,其中的悬浮物、胶体物和微生物等污染物质被阻截在过滤介质表面或内部,同时附着在污染物上的病毒等也一起被截留。该过程是吸附、表面过滤和深层过滤相结合的过程
[24]
,且以深层过滤为主。由于它具
有充分发育的孔结构,使其比表面积较大,能够吸附水中微小的悬浮物,主要以物理吸附为主。表面过滤主要发生在过滤介质的表面,多孔陶瓷起一种筛滤的作用,大于微孔孔径的颗粒被截留,被截留的颗。
68
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该层滤膜也能起到重要的过滤作用,可防止杂质进入过滤层内部将微孔很快堵塞。
深层过滤发生在多孔陶瓷内部,由于多孔陶瓷孔道的迂回,加上流体介质在颗粒表面形成的拱桥
效应,惯性冲撞的影响,因此,其过滤精度比本身孔径小得多,对液体介质约为多孔陶瓷孔径的1/5～1/10,气体介质约为孔径的1/10～1/20。
近年来的研究表明,多孔陶瓷处理某些工业废水的过程还包括表面络合、离子交换等作用机理
[25]
能力对污水进行快速净化,同时,污水中的悬浮物及脱落的生物膜不会穿透滤料层而随水流出。因此,生物滤池内的滤料成为滤池能否成功运行的关键因素之一,要求其必须具有较大的比表面积和优良的表面特性,同时必须满足一定的力学性能要求。而多孔泡沫陶瓷很好地满足了上述要求。
有研究表明,采用内部填充多孔蜂窝陶瓷填料的生物滤池与其他处理工艺组成的组合系统相比,微生物种类丰富,耐冲击负荷能力强,具有快速的兼性和好氧反硝化效果,对反硝化脱氮工艺具有积极的参考和借鉴意义。2.1.4 布气材料
对于城市污水和工业废水,其处理方法之一是活性污泥的生物学处理。该方法是在废水中通入好氧微生物并作曝气处理,使废水中的有机物得以分解和净化。其中曝气装置所用材料即可为多孔陶瓷。提高曝气效果,重要的是使废水中的微小气泡能够均匀分布并发泡。一般而言,多孔体的孔径越小,气泡就越小,所有气泡的总表面积也就越大,这有利于提高对氧的吸收效率。但孔径太小又影响其渗透量,所以应将气孔孔径控制在一定范围
[31]
[30]
。多孔陶瓷的过滤与吸附性能与其孔隙的表
面化学特性和尺寸特性密切相关。孔隙的表面化学特性取决于陶瓷的组成、状态(结晶质、非晶质的区别及晶体结构)和孔隙表面处理等因素。例如,非晶质氧化物中表面的羟基(-OH)或硅氧烷基(≡SiOH)的有无和多少对表面特性的影响很大。而吸附、吸收性能则取决于孔穴表面的化学组成、晶体结构、非晶质、羟基的有无等。
2.1.2 处理重金属工业废水
重金属通过矿山开采、金属冶炼、金属加工及化工生产废水、化石燃料的燃烧、施用农药化肥和生活垃圾等人为污染源,以及地质侵蚀、风化等天然源形式进入水体,加之重金属具有毒性大、在环境中不易被代谢、易被生物富集并有生物放大效应等特点,不但污染水环境,也严重威胁人类和水生生物的生存。但是,目前在重金属离子废水处理的各种方法中,无论是化学法、物理化学法、生物处理法,普遍存在着运行成本高昂、管理手段繁琐、效率低下、有可能造成二次污染等缺陷。多孔陶瓷材料因其特殊的结构而具有的各种优异的特性,使其完全克服上述各种方法的缺陷成为可能,因此,成为治理重金属污染废水研究领域的热点。
例如,多孔陶瓷可对溶液中的有毒重金属离子
[26]
(如六价铬离子等)进行吸附分离,并能对污水进行脱色处理
[27]
。
2.1.5 流体过滤与分离
用于流体分离的多孔陶瓷材料一般是多孔陶瓷膜,属于无机分离膜的一种。多孔陶瓷膜主要用于分离过滤,其种类很多,按孔径大小和分离功能一般可分为颗粒滤膜(PF)、微滤膜(MF)、超滤膜(UF)、反渗透(RO)膜、气体分离(GS)膜等,按断面结构可分为对称膜(非担载膜)及非对称膜(担裁膜)。多孔陶瓷膜较有机膜具有化学稳定性较好、适于高温高压环境、机械强度高、清洗简易、再生及抗微生物侵蚀能力强等优点,因而随着科学技术和工业生产的发展,它们在超过滤、反渗透、离子交换、凝
[33]
胶层析和透析等方面展现出广阔的应用前景。
文会超等
[34]
[32]
。
[28-29]
采用孔径为200nm氧化锆膜,在
-1
王士龙等采用多孔陶瓷(陶粒)分别处理含铅和锌废水,铅和锌的去除率均达98%以上
得了令人满意的效果。2.1.3 生物滤池
生物滤池是一类兼具过滤作用与生化处理作用、采用固定生物膜技术的好氧、缺氧生物反应器,适用于生活污水或工业废水处理。在生物滤池中填装了一种新型生物载体(滤料),其表面附有活性生物膜,从滤池底部通过专用的曝气设备提供氧气;污,,取
操作压力为0.1MPa,膜面流速5～7m·s,操作温度40℃的操作条件下对脱脂液废水进行处理。
-2-1
经测试,膜的稳定通量为390L·m·h,渗透液油含量小于30mg·L,油的截留率大于99.4%,清洗剂中的无机组分完全透过膜,取得了满意的处理效果。2.2 在废气处理中的应用2.2.1 催化剂载体
随着我国汽车行业的不断发展,汽车尾气排放。-1
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表面积高、热稳定性好、耐磨、不易中毒、密度低等特点,故广泛用作汽车尾气催化净化器载体。将这种净化器安装在汽车排气管中,可以使排出的CO、NOO2和碳氢化合物等有害气体转化成无毒的C2、
H、N以上。将其用于柴油车2O2。转化率高达90%中,可使炭粒精净化率超过50%。当泡沫陶瓷芯积满炭粒时,可采用催化氧化法或电控燃烧法来消除这些沉积的炭粒,以达到再生和长期使用的目的
[35]
的设备复杂而庞大,除尘效果也不够理想;电除尘法的一次投资和运行费用较高,对含尘煤气还存在电火花引起爆炸的危险;过滤除尘则是一种较为理想的方法,其优点为除尘效率高、安全可靠、维修保养方便,且一次性投资少。以往我国对高温烟气(或煤气)的过滤除尘大多采用玻璃纤维或改性玻璃纤维作过滤材料,但由于这些过滤材料耐温不能高于400℃,故对400℃以上的高温烟气(或煤气)须先经掺冷空气降温处理后再过滤,这样就得消耗大量的动力。另外,采用玻璃纤维袋时往往因操作不当致使纤维袋被高温气体击穿,从而降低除尘效果。如果采用耐高温而且有足够强度和抗热震性能的高渗透性多孔陶资材料.则可很好地满足上述的使用要求。
高温过滤材料主要有以下几种,一是石英砂和陶粒等粒状过滤材料,在高温气流冲击下不会破损,但除尘效率低;二是织物性过滤介质,主要有金属纤维、玻璃纤维织物、陶瓷纤维织物等,它们有着很好的抗热震性能,但强度低,耐高温差,抗腐蚀能力不强;三是主要以烧结陶瓷和烧结金属为主的烧结类介质,其中烧结金属不耐高温腐蚀,而烧结陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、强度高、孔径小且分布均匀及具有过滤精度高、除尘效率高、阻力低、适用范围广等优良特性,成为高温过滤除尘的首选材料
[40]
。
[36]
陶瓷催化器中的多孔陶瓷作为催化剂载体,其作用主要有:(1)提供表面积和合适的孔结构;
(2)增加催化剂的强度和提高催化剂的热稳定性;(3)提供活性中心和减少活性组分用量。臭气和空气的混合气体送入催化剂层后,借助于催化剂的氧化促进作用,在催化剂表面进行无焰燃烧,生成无
[37]
毒、无味的二氧化碳和水。2.2.2 光触媒载体
多孔陶瓷材料具有气体接触面积大、过滤阻力小、过滤精度高,且光触媒担载性好的优点,如果把室内空气中的悬浮颗粒物、灰尘等先经活性炭或滤网滤除后再通过TiO2光触媒担载多孔陶瓷元件,可有效地提高空气净化效率,从而提高室内空气清新度,可广泛适用于居室、办公室、手术室、卫生间等场所的空气净化。在此思路指导下,孟宪谦等
[38]
采用。
Sol-gel法在多孔陶瓷载体上担载TiO2光触媒制备室内空气净化元件,并结合空气净化检测结果,对溶胶浸渍次数和热处理温度对其室内空气净化性能的影响进行了分析。结果表明,此种元件用于净化室内空气中的甲醛、SO2等有害气体及大肠杆菌,效率可达90%以上。
为克服银系抗菌陶瓷价格昂贵且易变色,以及光触媒陶瓷在无光的条件下无效的缺陷,邝炬炽[39]
等优选适宜的抗菌载体,开发出一种光触媒与银系复合型抗菌釉,采用双层釉工艺(即在底釉上施加含复合抗菌材料的抗菌面釉),并以中温烧成制得抗菌陶瓷。与现行的抗菌陶瓷相比其优势明显:(1)成本低;(2)有望解决银变色问题,不但能保证陶瓷产品的原色,且能充分发挥银离子的抗菌作用;(3)能克服光催化抗菌材料只有在紫外光条件下才能发挥作用的缺陷,使两类抗菌材料互为补充、相得益彰,综合抗菌能力提高。2.2.3 高温烟气除尘
高温烟气除尘大致可分为重力惯性除尘、电除3。,2.3 固体废物处理
该应用主要是以固体废弃物为原料来制备多孔陶瓷。如赤泥是氧化铝生产中排放的工业废物,目前全世界每年产生约6000万t,我国赤泥排放大约在500万t以上。对这种废弃物现在国内流行的处理方法是筑坝湿法堆存,但这种处理方法不仅占用大量农田,而且赤泥中的含碱废液污染地表和地下水源,严重破坏生态环境。而赤泥的化学成分(主要含SiOaO,Ale适宜于生产陶瓷,2,C2O3,F2O3)因此,该途径可实现赤泥的资源化,从而减轻铝厂的环境负荷,有利于扩大再生产
[42-43]
[41]
。可用作制多孔
[44]
陶瓷材料的固废还有煤矸石、粉煤灰、污水处理
[45]
厂的污泥、河道淤泥、各种矿渣、废玻璃和废陶瓷等。
2.4 吸声降噪
噪声是除水污染、大气污染、固体废物污染之外的第四大公害,给人们的日常生活带来了极大的影响。而多孔陶瓷具有相互贯通的孔隙且与外界连通,又具有较高的机械强度,因此,多孔陶瓷可作为。
70
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声波传入多孔体内部后,引起孔隙中的空气产生振动并与陶瓷筋络发生摩擦。由于粘滞作用,声波转变为热能而消耗.从而达到吸收声音的效
[35]果。用于吸声材料的多孔陶瓷,要求有较小的孔隙尺寸(20～150μm)、较大的孔率(60%以上)及较
[13]
高的机械强度。由于多孔陶瓷优良的耐火性和耐气候性,因而通常作为隔音降噪材料用于高层建筑、地铁、隧道等防火要求极高的场合,以及电视发射中心、电影院等有较高隔音要求的场合,并取得了
[13,35,46]
很好的效果。2.5 隔热吸能
近年来,随着全球化气候变暖形势的逐渐严峻及不可再生性能源的大量枯竭,人们越来越意识到在建筑业采用节能隔热的新型绿色环保建材的重要
[47-48]
意义。无论是建筑的外墙、门窗还是屋顶等,彻底淘汰旧式粘土砖瓦、密实钢窗,代之以多孔陶瓷材料,不仅可以节省大量人力物力,更重要的是可以防止热量散失、阻挡室内外的热量交换,从而达到节约能源,进而保护环境的目的。
由于多孔陶瓷孔隙率高,使得其密度较小、热传导系数较低,从而造成了巨大的热阻及较小的体积
[49]
热容,使其成为新型保温隔热材料。而且若将其内部抽成真空,那么多孔陶瓷将成为目前世界上最
[50]
好的隔热材料———超能隔热材料。因而能很好的防止热量的损失而引发的热污染。
fuelcellsbasedonsolidprotonelectrolytes[J].SolidStateIonics,2007,178(7-10):697-703.
[2] XMiao,LPTan,LSTan,etal.Porouscalciumphosphateceram-icsmodifiedwithPLGA-bioactiveglass[J].MaterialsScienceandEngineering:C,2007,27(2):274-279.
[3] YingchaoDong,XingqinLiu,QianliMa,etal.Preparationofcordi-erite-basedporousceramicmicro-filtrationmembranesusingwasteflyashasthemainrawmaterials[J].JournalofMembraneScience,2006,285(1/2):173-181.
[4] 高亚萍,田贵山,唐竹兴.多孔羟基磷灰石陶瓷的制备与性能
研究[J].硅酸盐通报,2006,25(6):209-211.
[5] 薛 明,冯丹歌,李光大,等.有机泡沫浸渍法制备多孔磷灰
石———硅灰石(AW)生物活性玻璃陶瓷研究[J].无机化学学报,2007,23(4):708-712.
[6] 刘艳春,曾令可,任雪潭,等.功能性蜂窝式红外多孔陶瓷燃烧
板[J].陶瓷学报,2006,27(2):212-216.
[7] 王冬至,刘福田,刘 鑫,等.我国无机陶瓷滤膜研究现状与应
用前景[J].现代技术陶瓷,2006(1):24-27;31.
[8] YingchaoDong,XuyongFeng,DehuaDong,etal.Elaborationand
chemicalcorrosionresistanceoftubularmacro-porouscordieriteceramicmembranesupports[J].JournalofMembraneScience,2007,304(1/2):65-75.
[9] MasayoshiFuji,TakeakiKato,Fa-ZhiZhang,etal.Effectsofsur-factantsonthemicrostructureandsomeintrinsicpropertiesofpor-ousbuildingceramicsfabricatedbygelcasting[J].CeramicsInter-national,2006,32(7):797-802.
[10] SGrandjean,JAbsi,DSSmith.Numericalcalculationsofthe
thermalconductivityofporousceramicsbasedonmicrographs[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,2006,26(13):2669-2676.
[11] MontanaroL,JorandY,FantozziG,etal.Ceramicfoamsbypow-derprocessing[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,1998,18(9):1339-1350.
[12] HirschfeldDA,LiTK,LiuDM.Processingofporousoxidece-ramics[J].KeyEngeeringMaterials,1996,115:65-80.
[13] 朱小龙,苏雪筠.多孔陶瓷材料[J].中国陶瓷,2000,36(4):
36-39.
[14] 陈俊彦.最新精细陶瓷技术[M].北京:中国建筑工业出版
社,1988.
[15] 华南工学院等合编.陶瓷工艺学[M].北京:中国建筑工业出
版社,1981.
[16] 李方文,吴建锋,徐晓虹,等.应用多孔陶瓷滤料治理环境污
染[J].中国安全科学学报,2006,16(7):112-117.
[17] 刘培生.多孔材料引论[M].北京:清华大学出版社,2004.[18] 曾汉民.高技术新材料要览[M].北京:中国科学技术出版
社,1993.
[19] 吴舜英,徐敬一.泡沫塑料成型[M].北京:化学工业出版社,
1999.
[20] 中国金属学会,中国有色金属学会.金属材料物理性能手册
(第一册):金属物理性能反测试方法[M].北京:冶金工业出版社,1987.
21].(下册)[:
3 结束语
目前在多孔陶瓷材料的研究和应用方面还存在
许多问题有待解决:(1)多孔陶瓷特有的高脆性和低韧性;(2)精确的孔形貌结构的控制;(3)低成本、高生产率、工艺成熟的工业规模的生产制备方法;(4)多孔陶瓷材料的二次修饰及处理;(5)实际应用后多孔材料的再生及回收利用;(6)提高催化剂载体活性的同时兼顾使用寿命等。
目前,许多国家和地区,尤其是欧、美、日在多孔陶瓷材料的研究和应用方面投入了巨大的人力物力。我国也越来越重视多孔陶瓷材料的开发与应用。相信随着各应用领域对多孔陶瓷需求的不断扩大及对高性能多孔陶瓷的迫切需要,特别是本世纪发展生物技术及控制和改善环境的呼声不断高涨,将会促进多孔陶瓷技术飞速发展,为多孔陶瓷的应用开创更广阔的前景。
参考文献:
[1,ui,QiiMa,etab
第1期
冶金工业出版社,1979:1-32.
刘树元,等:多孔陶瓷材料在环境工程中的应用
滤球的研究[J].陶瓷学报,2003,24(4):197-200.
71
[22] 范云鸽,李燕鸿,马建标.聚二乙烯苯型多孔吸附剂的纳米孔
结构表征[J].高分子学报,2002(2):173-179.
[23] BanhartJ.Manufacture,characterisationandapplicationofcellu-larmetalsandmetalfoams[J].ProgressinMaterialsScience,2001,46:559-632.
[24] 薛友祥,王耀明.多孔陶瓷及过滤器在过滤技术中的应用
[J].过滤与分离,1996(3):34-37.
[25] 王佳蕾,赵地顺,陈 娟,等.沸石的性能及在废水治理中的
应用[J].河北化工,2007,30(4):58-62.
[26] 郑礼胜,王士龙,张 虹,等.用沸石处理含铬重金属废水的
试验研究[J].环境工程,1997,15(3):13-15.
[27] 张 艳,赵宜江,嵇 鸣,等.氢氧化镁吸附———陶瓷膜微滤
对印染水脱色的研究[J].科学与技术,2000,20(1):41-45.
[28] 王士龙,张 虹,谢文海,等.用陶粒处理含铅废水[J].济南
大学学报(自然科学版),2003,17(3):295-297.
[29] 王士龙,张 虹,柯亚萍,等.用陶粒处理含锌废水[J].污染
防治技术,2002(3):23-25.
[30] 王宝沂,黄少斌.SBR-BAF组合工艺好氧反硝化脱氮[J].
环境工程,2006,24(5):10-11.
[31] 王连星,宁青菊,姚治才.多孔陶瓷材料[J].硅酸盐通报.
1998,(1):41-45.
[32] 李月琴,吴基球.多孔陶瓷的制备、应用及发展前景[J].陶瓷
工程,2000(12):44-47;37.
[33] 夏宇华,赵宗亮.无机分离膜多孔陶瓷载体的研制[J].华南
理工大学学报(自然科学版),1997,25(9):111-114.
[34] 文会超,舒 莉,邢卫红,等.无机陶瓷膜在脱脂液废水处理
中的应用[J].水处理技术,2007,33(3):42-44.
[35] 吴庆祝,刘水先,李福功,等.泡沫陶瓷及其应用[J].陶瓷,
2002(2):4-12.
[36] ESudhakarReddy,JGNoudem.Openporousfoamoxidethermo-electricelementsforhotgasesandliquidenvironments[J].Ener-gyConversionandManagement,2007,48(4):1251-1254.
[37] 刘 火亘,赵云昆,卢 军,等.汽车尾气净化催化剂金属载体
表面预处理的研究[J].贵金属,2005,26(1):12-16.
[38] 孟宪谦,薛友祥,吕 华,等.TiO2光触媒担载多孔陶瓷室内
空气净化元件的研究[J].现代技术陶瓷,2004(2):16-18.
[39] 邝炬炽,冼有玲,阮明毅,等.银-光触媒复合抗菌陶瓷的研
究[J].佛山陶瓷,2004,14(12):6-9.
[40] 谷 磊,刘有智,申红艳,等.高温气体过滤除尘技术和材料
开发进展[J].化工生产与技术,2006,13(6):61-62.
[41] 曹 瑛,李卫东,刘艳改.工业废渣赤泥的特性及回收利用现
状[J].硅酸盐通报,2007,26(1):143-145.
[42] 李方文,吴建锋,徐晓虹,等.应用多孔陶瓷滤料治理环境污
染[J].中国安全科学学报,2006,16(7):112-117.
[43] 徐晓虹,邸永江,吴建锋,等.利用固体废弃物制备多孔陶瓷
[44] 任祥军,张学斌,刘杏芹,等.粉煤灰基多孔陶瓷膜的制备研
究[J].材料科学与工程学报,2006,24(4):484-488.
[45] FAndreola,LBarbieri,ACoreadi,etal.ThePossibilitytoRecy-cleSolidResiduesoftheMunicipalWasteIncinerationintoaCe-ramicTileBody[J].JournalofMaterialsScience,2001(36):4869-4873.
[46] 侯来广,曾令可,王 慧,等.陶瓷废料制备的吸音材料吸音
性能影响因素的分析[J].陶瓷学报,2006,27(1):6-10.
[47] 宋 婧,曾令可,税安泽,等.复合蓄热材料的研制与应用
[J].硅酸盐通报,2007,26(1):173-176;198.
[48] 黄 勇,张立明,汪长安,等.先进结构陶瓷研究评述[J].硅
酸盐通报,2005,24(5):91-101.
[49] ElfatihIbrahim,LiShao,SaffaB.Riffat.Performanceofporous
ceramicevaporatorsforbuildingcoolingapplication[J].EnergyandBuildings,2003,35(9):941-949.
[50] 翟风瑞.多孔陶瓷材料及其应用前景[J].红河学院学报,
2005,3(3):22-25.
PorousCeramicMaterial
anditsApplicationsinEnvironmentalEngineering
LIUShu-yuan,YANGYan-ming,LIUQing,ZHENGXian-peng,DUBin
(SchoolofChemistryandChemicalEngineering,
UniversityofJinan,Jinan250022,China)
Abstract:Thecurrentapplicationprogressofporousceram-icsinsewagetreatment,airpollutioncontrol,solidwastedisposalandnoisecontrolweresummarized.Theadsorptionandfilteringmechanismforporousceramicsapplyinenvironmentalengineer-ingwasintroduced.Itwasconcludedthattheparametersofpor-ousceramicsincludingporosityandporesizedistributionarede-terminantfactorsforitspropertiesasenvironmentalfunctionma-terial.Anditisemphasizedonthetoughness,thebrittleness,re-generationutilizationandsurfacetopographycontrolinthere-searchprogress.Finally,costcontrol,large-scaleproductionandresearchcombiningbiotechnologyasdevelopmenttrendinthisfieldwereproposed.
Keywords:porousceramics;engineeringmaterial;environ-mentalengineering;application
第22卷第1期2008年1月
济南大学学报(自然科学版)
JOURNALOFUNIVERSITYOFJINAN(Sci.＆Tech.)
Vol.22 No.1
Jan.2008
文章编号:1671-3559(2008)01-0066-06
多孔陶瓷材料在环境工程中的应用
刘树元,杨焱明,刘 庆,郑显鹏,杜 斌
(济南大学化学化工学院,山东济南250022)
摘 要:综述多孔陶瓷材料在污水处理、大气污染控制、固体废物处理及噪声控制等方面的应用研究现状。阐述多孔陶瓷材料在环境工程中应用的吸附、筛滤等机理及孔隙率、孔径、孔径分布等参量指标是影响多孔陶瓷材料作为环境功能材料性能的决定因素。其韧性、脆性和形貌的控制及再生利用等是当前研究的热点和难点。低成本、大规模以及与生物技术相结合是多孔陶瓷材料研究的发展趋势。关键词:多孔陶瓷;工程材料;环境工程;应用中图分类号:X24
文献标识码:A
1 多孔陶瓷材料概述
多孔陶瓷是一种经高温烧成、内部具有大量彼
此相通并与材料表面也相贯通的孔隙结构的陶瓷材料。
1.1 基本类型
通常按照多孔陶瓷材料孔隙形貌的不同,可分为两类:即蜂窝陶瓷材料和泡沫陶瓷材料。前者的孔隙形成二维排列,后者则由中空多面体(孔隙)作三维排列。泡沫陶瓷材料还可进一步细分为开孔(或网状)陶瓷材料以及闭孔陶瓷材料。根据孔隙尺寸的大小,可将多孔陶瓷材料进行
[13]
以下分类:孔隙直径小于2nm的为微孔材料,孔隙直径在2～5nm之间的为介孔材料,孔隙在50nm以上的为宏孔材料。类
[14-15]
[11-12]
多孔材料的概念是相对于其对应的密实材料提出来的。顾名思义,多孔材料是指一类包含大量孔隙的材料。由于其优异的物理、力学性能,多孔材料
已成为一种优秀的工程材料,具有功能和结构的双重属性,是—类广为使用而又具有巨大应用潜力的功能结构材料。多孔材料按照构成材质的不同可简单地分为多孔金属材料、多孔陶瓷材料和泡沫塑料。
多孔陶瓷是一种新型的陶瓷材料,其制造始于20世纪50年代末。随着制备工艺技术的不断提高以及各种高性能产品的不断出现,多孔陶瓷材料的应用领域和应用范围也在不断扩大。因为多孔陶瓷材料具有透过性好、密度低、硬度高、比表面积大、热导率小及耐高温、耐腐蚀等优良特性,因此广泛地应用于冶金、化工、环保、能源、生物、食品、医药等领域,用作过滤、分离、扩散、布气、隔热、吸声、化工填料、生物陶瓷、化学传感器、催化剂和催化剂载体等元件材料
[1-10]
按材质的不同,多孔陶瓷主要有以下几
:(1)高硅质硅酸盐材料,它主要以硬质瓷渣、耐
酸陶瓷渣及其他耐酸的合成陶瓷颗粒为骨料,具有耐水性、耐酸性,使用温度达700℃。
(2)铝硅酸盐材料,它以耐火粘土熟料、烧矾土、硅线石和合成莫来石颗粒为骨料,具有耐酸性和耐弱碱性,使用温度达1000℃。
(3)精陶质材料,它以多种粘土熟料颗粒与粘土等混合烧结,得到微孔陶瓷材料。(4)硅藻土质材料,它主要以精选硅藻土为原料,加粘土烧结而成,用于精滤水和酸性介质。
(5)纯炭质材料,它以低灰分煤或石油沥青焦颗粒为原料,或加入部分石墨,用稀焦油粘结烧制而成,用于耐水、冷热强酸、冷热强碱介质以及空气的消毒和过滤等。
(6)刚玉和金刚砂材料,它以不同型号的电熔刚玉和碳化硅颗粒为骨料,具有耐强酸、耐高温的特,1600℃。
。
早在20世纪70年代,多孔陶瓷就巳作为细菌过滤元件使用。经过30多年的发展,该材料目前在环境工程领域已用于工业废气废水处理、汽车尾气处理等诸多方面,促进了环保事业的发展。
收稿日期:2007-08-08基金项目:国家自然科学基金(20557016)作者简介:刘树元(1971-),男,吉林长春人,硕士生;杜 斌
,,,
第1期刘树元,等:多孔陶瓷材料在环境工程中的应用
67
(7)堇青石、钛酸铝材料,其特点是热膨胀系数小,因而广泛用于热冲击环境。
(8)其他,即采用工业废料、尾矿和石英玻璃或普通玻璃为原料制成的材料,视原料组成用于不同
的场合。1.2 特性
多孔陶瓷材料除具有相对密度小、比表面积大、热导率低、比强度高及吸附性能好等多孔材料的共同属性外,还具有如下特性
[16]
偏离。这就是说,对于每一个基本参量,都有很多的方法可以测量和表征它,但由于试验方法的不同,所得结果住往具有一定的差异。所以,对于常规性的参量测定,出具的结果和数据应附注说明检测方法。
表1 多孔陶瓷材料的基本参量及其表征方法
基本参量
显微分析法
直接称重体积计算法浸泡介质法
孔隙率
真空浸渍法漂浮法压汞法
断面直接观察法气泡法悬浮液过滤法
孔径及孔径分布
气体吸附法
X射线和中子的小角度散射透过法压汞法
孔隙形貌
射线透视检查法层析X射线投影气体吸附法
比表面积
流体透过法压汞法
[22][23][21][21][23][23][22][21][21]
时间滞后法
表征手段
参考文献[18][19][20][21][21][21][18][21][21][21]
:
(1)化学稳定性好,即选择合适的材质和工艺,可制成适应各种腐蚀环境的多孔制品。
(2)机械强度和刚度高,即在气压、液压或其他应力负载下,孔隙形状与尺寸不会发生变化。
(3)耐热性佳,即由耐高温陶瓷制成的多孔体可对熔融钢水或高温燃气等进行过滤。(4)孔隙率高,可达20%～95%,且孔径分布均匀和大小可控,渗透率高。
(5)体积密度小,具有发达的比表面积及独特的表面特性。
(6)自身洁净状态好,无毒无味、无异物脱落,不会产生二次污染。
(7)再生性强,通过用液体或气体反冲洗,可基本恢复原有过滤能力,从而具有较长的使用寿命,同时抗菌性能好,不易被细菌降解。
1.3 基本参量及其表征
因为多孔陶瓷是由固相和通过固相形成的孔隙所组成的复合体,所以它区别于普通密实固体材料的最显著特点是具有有用的孔隙。这就是说,凡是应用到多孔材料的场合,都无一例外地利用了其具有孔隙的特点,或者说,就是利用其孔隙本身。因此,多孔陶瓷基本的参量应是直接表征其孔隙性状的指标,如孔隙率、孔径、孔径分布、比表面积等。其中孔隙率指标又是这些基本参量中的主要指标,因为它对多孔材料力学、物理和化学等方面性能的影响最为显著。当然,多孔陶瓷的性能也在很大程度上依赖于孔隙形貌、孔隙尺寸及其分布。
多孔陶瓷材料的基本参量包括孔隙率、孔径与孔径分布、孔隙形貌、孔隙特性、比表面积等5个方面。其基本的检验测试手段包括物理、光学等各种方法,如表1所示。
多孔材料的各个基本参量,包括孔隙率、孔径及孔径分布、比表面积等,都是多孔体本身所固有的特性指标。它们本身并不随检测方法而变化,但采用[17]
2 在环境工程中的应用
多孔陶瓷材料优良物理和力学性能使其得到了较大的发展和工业应用,成为环境工程领域关注的热点,是一种很有发展前景的生态环境材料,在环境治理和除污防毒工程中得到了广泛应用和推广。2.1 在废水治理中的应用2.1.1 原理
由于多孔陶瓷特殊的结构,当滤液通过时,其中的悬浮物、胶体物和微生物等污染物质被阻截在过滤介质表面或内部,同时附着在污染物上的病毒等也一起被截留。该过程是吸附、表面过滤和深层过滤相结合的过程
[24]
,且以深层过滤为主。由于它具
有充分发育的孔结构,使其比表面积较大,能够吸附水中微小的悬浮物,主要以物理吸附为主。表面过滤主要发生在过滤介质的表面,多孔陶瓷起一种筛滤的作用,大于微孔孔径的颗粒被截留,被截留的颗。
68
济南大学学报(自然科学版)第22卷
该层滤膜也能起到重要的过滤作用,可防止杂质进入过滤层内部将微孔很快堵塞。
深层过滤发生在多孔陶瓷内部,由于多孔陶瓷孔道的迂回,加上流体介质在颗粒表面形成的拱桥
效应,惯性冲撞的影响,因此,其过滤精度比本身孔径小得多,对液体介质约为多孔陶瓷孔径的1/5～1/10,气体介质约为孔径的1/10～1/20。
近年来的研究表明,多孔陶瓷处理某些工业废水的过程还包括表面络合、离子交换等作用机理
[25]
能力对污水进行快速净化,同时,污水中的悬浮物及脱落的生物膜不会穿透滤料层而随水流出。因此,生物滤池内的滤料成为滤池能否成功运行的关键因素之一,要求其必须具有较大的比表面积和优良的表面特性,同时必须满足一定的力学性能要求。而多孔泡沫陶瓷很好地满足了上述要求。
有研究表明,采用内部填充多孔蜂窝陶瓷填料的生物滤池与其他处理工艺组成的组合系统相比,微生物种类丰富,耐冲击负荷能力强,具有快速的兼性和好氧反硝化效果,对反硝化脱氮工艺具有积极的参考和借鉴意义。2.1.4 布气材料
对于城市污水和工业废水,其处理方法之一是活性污泥的生物学处理。该方法是在废水中通入好氧微生物并作曝气处理,使废水中的有机物得以分解和净化。其中曝气装置所用材料即可为多孔陶瓷。提高曝气效果,重要的是使废水中的微小气泡能够均匀分布并发泡。一般而言,多孔体的孔径越小,气泡就越小,所有气泡的总表面积也就越大,这有利于提高对氧的吸收效率。但孔径太小又影响其渗透量,所以应将气孔孔径控制在一定范围
[31]
[30]
。多孔陶瓷的过滤与吸附性能与其孔隙的表
面化学特性和尺寸特性密切相关。孔隙的表面化学特性取决于陶瓷的组成、状态(结晶质、非晶质的区别及晶体结构)和孔隙表面处理等因素。例如,非晶质氧化物中表面的羟基(-OH)或硅氧烷基(≡SiOH)的有无和多少对表面特性的影响很大。而吸附、吸收性能则取决于孔穴表面的化学组成、晶体结构、非晶质、羟基的有无等。
2.1.2 处理重金属工业废水
重金属通过矿山开采、金属冶炼、金属加工及化工生产废水、化石燃料的燃烧、施用农药化肥和生活垃圾等人为污染源,以及地质侵蚀、风化等天然源形式进入水体,加之重金属具有毒性大、在环境中不易被代谢、易被生物富集并有生物放大效应等特点,不但污染水环境,也严重威胁人类和水生生物的生存。但是,目前在重金属离子废水处理的各种方法中,无论是化学法、物理化学法、生物处理法,普遍存在着运行成本高昂、管理手段繁琐、效率低下、有可能造成二次污染等缺陷。多孔陶瓷材料因其特殊的结构而具有的各种优异的特性,使其完全克服上述各种方法的缺陷成为可能,因此,成为治理重金属污染废水研究领域的热点。
例如,多孔陶瓷可对溶液中的有毒重金属离子
[26]
(如六价铬离子等)进行吸附分离,并能对污水进行脱色处理
[27]
。
2.1.5 流体过滤与分离
用于流体分离的多孔陶瓷材料一般是多孔陶瓷膜,属于无机分离膜的一种。多孔陶瓷膜主要用于分离过滤,其种类很多,按孔径大小和分离功能一般可分为颗粒滤膜(PF)、微滤膜(MF)、超滤膜(UF)、反渗透(RO)膜、气体分离(GS)膜等,按断面结构可分为对称膜(非担载膜)及非对称膜(担裁膜)。多孔陶瓷膜较有机膜具有化学稳定性较好、适于高温高压环境、机械强度高、清洗简易、再生及抗微生物侵蚀能力强等优点,因而随着科学技术和工业生产的发展,它们在超过滤、反渗透、离子交换、凝
[33]
胶层析和透析等方面展现出广阔的应用前景。
文会超等
[34]
[32]
。
[28-29]
采用孔径为200nm氧化锆膜,在
-1
王士龙等采用多孔陶瓷(陶粒)分别处理含铅和锌废水,铅和锌的去除率均达98%以上
得了令人满意的效果。2.1.3 生物滤池
生物滤池是一类兼具过滤作用与生化处理作用、采用固定生物膜技术的好氧、缺氧生物反应器,适用于生活污水或工业废水处理。在生物滤池中填装了一种新型生物载体(滤料),其表面附有活性生物膜,从滤池底部通过专用的曝气设备提供氧气;污,,取
操作压力为0.1MPa,膜面流速5～7m·s,操作温度40℃的操作条件下对脱脂液废水进行处理。
-2-1
经测试,膜的稳定通量为390L·m·h,渗透液油含量小于30mg·L,油的截留率大于99.4%,清洗剂中的无机组分完全透过膜,取得了满意的处理效果。2.2 在废气处理中的应用2.2.1 催化剂载体
随着我国汽车行业的不断发展,汽车尾气排放。-1
第1期刘树元,等:多孔陶瓷材料在环境工程中的应用
69
表面积高、热稳定性好、耐磨、不易中毒、密度低等特点,故广泛用作汽车尾气催化净化器载体。将这种净化器安装在汽车排气管中,可以使排出的CO、NOO2和碳氢化合物等有害气体转化成无毒的C2、
H、N以上。将其用于柴油车2O2。转化率高达90%中,可使炭粒精净化率超过50%。当泡沫陶瓷芯积满炭粒时,可采用催化氧化法或电控燃烧法来消除这些沉积的炭粒,以达到再生和长期使用的目的
[35]
的设备复杂而庞大,除尘效果也不够理想;电除尘法的一次投资和运行费用较高,对含尘煤气还存在电火花引起爆炸的危险;过滤除尘则是一种较为理想的方法,其优点为除尘效率高、安全可靠、维修保养方便,且一次性投资少。以往我国对高温烟气(或煤气)的过滤除尘大多采用玻璃纤维或改性玻璃纤维作过滤材料,但由于这些过滤材料耐温不能高于400℃,故对400℃以上的高温烟气(或煤气)须先经掺冷空气降温处理后再过滤,这样就得消耗大量的动力。另外,采用玻璃纤维袋时往往因操作不当致使纤维袋被高温气体击穿,从而降低除尘效果。如果采用耐高温而且有足够强度和抗热震性能的高渗透性多孔陶资材料.则可很好地满足上述的使用要求。
高温过滤材料主要有以下几种,一是石英砂和陶粒等粒状过滤材料,在高温气流冲击下不会破损,但除尘效率低;二是织物性过滤介质,主要有金属纤维、玻璃纤维织物、陶瓷纤维织物等,它们有着很好的抗热震性能,但强度低,耐高温差,抗腐蚀能力不强;三是主要以烧结陶瓷和烧结金属为主的烧结类介质,其中烧结金属不耐高温腐蚀,而烧结陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、强度高、孔径小且分布均匀及具有过滤精度高、除尘效率高、阻力低、适用范围广等优良特性,成为高温过滤除尘的首选材料
[40]
。
[36]
陶瓷催化器中的多孔陶瓷作为催化剂载体,其作用主要有:(1)提供表面积和合适的孔结构;
(2)增加催化剂的强度和提高催化剂的热稳定性;(3)提供活性中心和减少活性组分用量。臭气和空气的混合气体送入催化剂层后,借助于催化剂的氧化促进作用,在催化剂表面进行无焰燃烧,生成无
[37]
毒、无味的二氧化碳和水。2.2.2 光触媒载体
多孔陶瓷材料具有气体接触面积大、过滤阻力小、过滤精度高,且光触媒担载性好的优点,如果把室内空气中的悬浮颗粒物、灰尘等先经活性炭或滤网滤除后再通过TiO2光触媒担载多孔陶瓷元件,可有效地提高空气净化效率,从而提高室内空气清新度,可广泛适用于居室、办公室、手术室、卫生间等场所的空气净化。在此思路指导下,孟宪谦等
[38]
采用。
Sol-gel法在多孔陶瓷载体上担载TiO2光触媒制备室内空气净化元件,并结合空气净化检测结果,对溶胶浸渍次数和热处理温度对其室内空气净化性能的影响进行了分析。结果表明,此种元件用于净化室内空气中的甲醛、SO2等有害气体及大肠杆菌,效率可达90%以上。
为克服银系抗菌陶瓷价格昂贵且易变色,以及光触媒陶瓷在无光的条件下无效的缺陷,邝炬炽[39]
等优选适宜的抗菌载体,开发出一种光触媒与银系复合型抗菌釉,采用双层釉工艺(即在底釉上施加含复合抗菌材料的抗菌面釉),并以中温烧成制得抗菌陶瓷。与现行的抗菌陶瓷相比其优势明显:(1)成本低;(2)有望解决银变色问题,不但能保证陶瓷产品的原色,且能充分发挥银离子的抗菌作用;(3)能克服光催化抗菌材料只有在紫外光条件下才能发挥作用的缺陷,使两类抗菌材料互为补充、相得益彰,综合抗菌能力提高。2.2.3 高温烟气除尘
高温烟气除尘大致可分为重力惯性除尘、电除3。,2.3 固体废物处理
该应用主要是以固体废弃物为原料来制备多孔陶瓷。如赤泥是氧化铝生产中排放的工业废物,目前全世界每年产生约6000万t,我国赤泥排放大约在500万t以上。对这种废弃物现在国内流行的处理方法是筑坝湿法堆存,但这种处理方法不仅占用大量农田,而且赤泥中的含碱废液污染地表和地下水源,严重破坏生态环境。而赤泥的化学成分(主要含SiOaO,Ale适宜于生产陶瓷,2,C2O3,F2O3)因此,该途径可实现赤泥的资源化,从而减轻铝厂的环境负荷,有利于扩大再生产
[42-43]
[41]
。可用作制多孔
[44]
陶瓷材料的固废还有煤矸石、粉煤灰、污水处理
[45]
厂的污泥、河道淤泥、各种矿渣、废玻璃和废陶瓷等。
2.4 吸声降噪
噪声是除水污染、大气污染、固体废物污染之外的第四大公害,给人们的日常生活带来了极大的影响。而多孔陶瓷具有相互贯通的孔隙且与外界连通,又具有较高的机械强度,因此,多孔陶瓷可作为。
70
济南大学学报(自然科学版)第22卷
声波传入多孔体内部后,引起孔隙中的空气产生振动并与陶瓷筋络发生摩擦。由于粘滞作用,声波转变为热能而消耗.从而达到吸收声音的效
[35]果。用于吸声材料的多孔陶瓷,要求有较小的孔隙尺寸(20～150μm)、较大的孔率(60%以上)及较
[13]
高的机械强度。由于多孔陶瓷优良的耐火性和耐气候性,因而通常作为隔音降噪材料用于高层建筑、地铁、隧道等防火要求极高的场合,以及电视发射中心、电影院等有较高隔音要求的场合,并取得了
[13,35,46]
很好的效果。2.5 隔热吸能
近年来,随着全球化气候变暖形势的逐渐严峻及不可再生性能源的大量枯竭,人们越来越意识到在建筑业采用节能隔热的新型绿色环保建材的重要
[47-48]
意义。无论是建筑的外墙、门窗还是屋顶等,彻底淘汰旧式粘土砖瓦、密实钢窗,代之以多孔陶瓷材料,不仅可以节省大量人力物力,更重要的是可以防止热量散失、阻挡室内外的热量交换,从而达到节约能源,进而保护环境的目的。
由于多孔陶瓷孔隙率高,使得其密度较小、热传导系数较低,从而造成了巨大的热阻及较小的体积
[49]
热容,使其成为新型保温隔热材料。而且若将其内部抽成真空,那么多孔陶瓷将成为目前世界上最
[50]
好的隔热材料———超能隔热材料。因而能很好的防止热量的损失而引发的热污染。
fuelcellsbasedonsolidprotonelectrolytes[J].SolidStateIonics,2007,178(7-10):697-703.
[2] XMiao,LPTan,LSTan,etal.Porouscalciumphosphateceram-icsmodifiedwithPLGA-bioactiveglass[J].MaterialsScienceandEngineering:C,2007,27(2):274-279.
[3] YingchaoDong,XingqinLiu,QianliMa,etal.Preparationofcordi-erite-basedporousceramicmicro-filtrationmembranesusingwasteflyashasthemainrawmaterials[J].JournalofMembraneScience,2006,285(1/2):173-181.
[4] 高亚萍,田贵山,唐竹兴.多孔羟基磷灰石陶瓷的制备与性能
研究[J].硅酸盐通报,2006,25(6):209-211.
[5] 薛 明,冯丹歌,李光大,等.有机泡沫浸渍法制备多孔磷灰
石———硅灰石(AW)生物活性玻璃陶瓷研究[J].无机化学学报,2007,23(4):708-712.
[6] 刘艳春,曾令可,任雪潭,等.功能性蜂窝式红外多孔陶瓷燃烧
板[J].陶瓷学报,2006,27(2):212-216.
[7] 王冬至,刘福田,刘 鑫,等.我国无机陶瓷滤膜研究现状与应
用前景[J].现代技术陶瓷,2006(1):24-27;31.
[8] YingchaoDong,XuyongFeng,DehuaDong,etal.Elaborationand
chemicalcorrosionresistanceoftubularmacro-porouscordieriteceramicmembranesupports[J].JournalofMembraneScience,2007,304(1/2):65-75.
[9] MasayoshiFuji,TakeakiKato,Fa-ZhiZhang,etal.Effectsofsur-factantsonthemicrostructureandsomeintrinsicpropertiesofpor-ousbuildingceramicsfabricatedbygelcasting[J].CeramicsInter-national,2006,32(7):797-802.
[10] SGrandjean,JAbsi,DSSmith.Numericalcalculationsofthe
thermalconductivityofporousceramicsbasedonmicrographs[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,2006,26(13):2669-2676.
[11] MontanaroL,JorandY,FantozziG,etal.Ceramicfoamsbypow-derprocessing[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,1998,18(9):1339-1350.
[12] HirschfeldDA,LiTK,LiuDM.Processingofporousoxidece-ramics[J].KeyEngeeringMaterials,1996,115:65-80.
[13] 朱小龙,苏雪筠.多孔陶瓷材料[J].中国陶瓷,2000,36(4):
36-39.
[14] 陈俊彦.最新精细陶瓷技术[M].北京:中国建筑工业出版
社,1988.
[15] 华南工学院等合编.陶瓷工艺学[M].北京:中国建筑工业出
版社,1981.
[16] 李方文,吴建锋,徐晓虹,等.应用多孔陶瓷滤料治理环境污
染[J].中国安全科学学报,2006,16(7):112-117.
[17] 刘培生.多孔材料引论[M].北京:清华大学出版社,2004.[18] 曾汉民.高技术新材料要览[M].北京:中国科学技术出版
社,1993.
[19] 吴舜英,徐敬一.泡沫塑料成型[M].北京:化学工业出版社,
1999.
[20] 中国金属学会,中国有色金属学会.金属材料物理性能手册
(第一册):金属物理性能反测试方法[M].北京:冶金工业出版社,1987.
21].(下册)[:
3 结束语
目前在多孔陶瓷材料的研究和应用方面还存在
许多问题有待解决:(1)多孔陶瓷特有的高脆性和低韧性;(2)精确的孔形貌结构的控制;(3)低成本、高生产率、工艺成熟的工业规模的生产制备方法;(4)多孔陶瓷材料的二次修饰及处理;(5)实际应用后多孔材料的再生及回收利用;(6)提高催化剂载体活性的同时兼顾使用寿命等。
目前,许多国家和地区,尤其是欧、美、日在多孔陶瓷材料的研究和应用方面投入了巨大的人力物力。我国也越来越重视多孔陶瓷材料的开发与应用。相信随着各应用领域对多孔陶瓷需求的不断扩大及对高性能多孔陶瓷的迫切需要,特别是本世纪发展生物技术及控制和改善环境的呼声不断高涨,将会促进多孔陶瓷技术飞速发展,为多孔陶瓷的应用开创更广阔的前景。
参考文献:
[1,ui,QiiMa,etab
第1期
冶金工业出版社,1979:1-32.
刘树元,等:多孔陶瓷材料在环境工程中的应用
滤球的研究[J].陶瓷学报,2003,24(4):197-200.
71
[22] 范云鸽,李燕鸿,马建标.聚二乙烯苯型多孔吸附剂的纳米孔
结构表征[J].高分子学报,2002(2):173-179.
[23] BanhartJ.Manufacture,characterisationandapplicationofcellu-larmetalsandmetalfoams[J].ProgressinMaterialsScience,2001,46:559-632.
[24] 薛友祥,王耀明.多孔陶瓷及过滤器在过滤技术中的应用
[J].过滤与分离,1996(3):34-37.
[25] 王佳蕾,赵地顺,陈 娟,等.沸石的性能及在废水治理中的
应用[J].河北化工,2007,30(4):58-62.
[26] 郑礼胜,王士龙,张 虹,等.用沸石处理含铬重金属废水的
试验研究[J].环境工程,1997,15(3):13-15.
[27] 张 艳,赵宜江,嵇 鸣,等.氢氧化镁吸附———陶瓷膜微滤
对印染水脱色的研究[J].科学与技术,2000,20(1):41-45.
[28] 王士龙,张 虹,谢文海,等.用陶粒处理含铅废水[J].济南
大学学报(自然科学版),2003,17(3):295-297.
[29] 王士龙,张 虹,柯亚萍,等.用陶粒处理含锌废水[J].污染
防治技术,2002(3):23-25.
[30] 王宝沂,黄少斌.SBR-BAF组合工艺好氧反硝化脱氮[J].
环境工程,2006,24(5):10-11.
[31] 王连星,宁青菊,姚治才.多孔陶瓷材料[J].硅酸盐通报.
1998,(1):41-45.
[32] 李月琴,吴基球.多孔陶瓷的制备、应用及发展前景[J].陶瓷
工程,2000(12):44-47;37.
[33] 夏宇华,赵宗亮.无机分离膜多孔陶瓷载体的研制[J].华南
理工大学学报(自然科学版),1997,25(9):111-114.
[34] 文会超,舒 莉,邢卫红,等.无机陶瓷膜在脱脂液废水处理
中的应用[J].水处理技术,2007,33(3):42-44.
[35] 吴庆祝,刘水先,李福功,等.泡沫陶瓷及其应用[J].陶瓷,
2002(2):4-12.
[36] ESudhakarReddy,JGNoudem.Openporousfoamoxidethermo-electricelementsforhotgasesandliquidenvironments[J].Ener-gyConversionandManagement,2007,48(4):1251-1254.
[37] 刘 火亘,赵云昆,卢 军,等.汽车尾气净化催化剂金属载体
表面预处理的研究[J].贵金属,2005,26(1):12-16.
[38] 孟宪谦,薛友祥,吕 华,等.TiO2光触媒担载多孔陶瓷室内
空气净化元件的研究[J].现代技术陶瓷,2004(2):16-18.
[39] 邝炬炽,冼有玲,阮明毅,等.银-光触媒复合抗菌陶瓷的研
究[J].佛山陶瓷,2004,14(12):6-9.
[40] 谷 磊,刘有智,申红艳,等.高温气体过滤除尘技术和材料
开发进展[J].化工生产与技术,2006,13(6):61-62.
[41] 曹 瑛,李卫东,刘艳改.工业废渣赤泥的特性及回收利用现
状[J].硅酸盐通报,2007,26(1):143-145.
[42] 李方文,吴建锋,徐晓虹,等.应用多孔陶瓷滤料治理环境污
染[J].中国安全科学学报,2006,16(7):112-117.
[43] 徐晓虹,邸永江,吴建锋,等.利用固体废弃物制备多孔陶瓷
[44] 任祥军,张学斌,刘杏芹,等.粉煤灰基多孔陶瓷膜的制备研
究[J].材料科学与工程学报,2006,24(4):484-488.
[45] FAndreola,LBarbieri,ACoreadi,etal.ThePossibilitytoRecy-cleSolidResiduesoftheMunicipalWasteIncinerationintoaCe-ramicTileBody[J].JournalofMaterialsScience,2001(36):4869-4873.
[46] 侯来广,曾令可,王 慧,等.陶瓷废料制备的吸音材料吸音
性能影响因素的分析[J].陶瓷学报,2006,27(1):6-10.
[47] 宋 婧,曾令可,税安泽,等.复合蓄热材料的研制与应用
[J].硅酸盐通报,2007,26(1):173-176;198.
[48] 黄 勇,张立明,汪长安,等.先进结构陶瓷研究评述[J].硅
酸盐通报,2005,24(5):91-101.
[49] ElfatihIbrahim,LiShao,SaffaB.Riffat.Performanceofporous
ceramicevaporatorsforbuildingcoolingapplication[J].EnergyandBuildings,2003,35(9):941-949.
[50] 翟风瑞.多孔陶瓷材料及其应用前景[J].红河学院学报,
2005,3(3):22-25.
PorousCeramicMaterial
anditsApplicationsinEnvironmentalEngineering
LIUShu-yuan,YANGYan-ming,LIUQing,ZHENGXian-peng,DUBin
(SchoolofChemistryandChemicalEngineering,
UniversityofJinan,Jinan250022,China)
Abstract:Thecurrentapplicationprogressofporousceram-icsinsewagetreatment,airpollutioncontrol,solidwastedisposalandnoisecontrolweresummarized.Theadsorptionandfilteringmechanismforporousceramicsapplyinenvironmentalengineer-ingwasintroduced.Itwasconcludedthattheparametersofpor-ousceramicsincludingporosityandporesizedistributionarede-terminantfactorsforitspropertiesasenvironmentalfunctionma-terial.Anditisemphasizedonthetoughness,thebrittleness,re-generationutilizationandsurfacetopographycontrolinthere-searchprogress.Finally,costcontrol,large-scaleproductionandresearchcombiningbiotechnologyasdevelopmenttrendinthisfieldwereproposed.
Keywords:porousceramics;engineeringmaterial;environ-mentalengineering;application