孫海俠 李元星 李 瓊 徐 飛

(湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院 長(zhǎng)沙 410014)

前言

伴隨著工業(yè)化發(fā)展，社會(huì)經(jīng)濟(jì)取得了可觀的進(jìn)步，但環(huán)境問題也呈現(xiàn)出日益嚴(yán)重的態(tài)勢(shì)，如固體廢棄物污染、水污染、大氣污染及噪聲污染，這些環(huán)境污染對(duì)人們身心健康造成極大的危害，因此對(duì)這些污染的預(yù)防與治理已成為我們面臨和必須解決的重大問題。

多孔陶瓷作為一種綠色、新型、多功能環(huán)保材料應(yīng)運(yùn)而生，該材料結(jié)合了多孔材料和陶瓷材料二者特性，具有以下優(yōu)異特性[1-6]：(1)高孔隙率，可達(dá)20%～95%，且通過調(diào)節(jié)制備工藝可控制孔徑大小及分布；(2)體積密度小，具有較高的比表面積及特有的表面結(jié)構(gòu)；(3)強(qiáng)度高、剛性大，在外界沖擊下不易造成外形及孔結(jié)構(gòu)變化；(4)化學(xué)穩(wěn)定性好，可耐酸耐堿，不與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而造成二次污染；(5)熱穩(wěn)定性高，不易出現(xiàn)氧化、變形等現(xiàn)象，工作溫度可達(dá)1 000 ℃；(6)自身干凈程度高，安全、無有毒有害物質(zhì)，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，不易脫落，使用壽命長(zhǎng)；(7)再生性強(qiáng)，通過液體或氣體反吹或通過高溫?zé)Y(jié)可基本恢復(fù)原有的功能。可廣泛應(yīng)用于環(huán)保、冶金、能源、化工與生物等領(lǐng)域。

多孔陶瓷常用的制備工藝有如下幾種[7-11]：

(1)有機(jī)泡沫浸漬工藝。該工藝是以有機(jī)泡沫為模板(常用聚氨酯有機(jī)泡沫)，浸漬到陶瓷漿料中，然后采用擠壓方式去除多余的漿料，通過冷凍干燥、高溫?zé)袡C(jī)泡沫模板，經(jīng)過高溫陶瓷燒結(jié)獲得多孔陶瓷材料的一種方法。該方法特別之處在于制備出的開孔多孔陶瓷其空隙率及孔結(jié)構(gòu)基本與使用的有機(jī)泡沫前驅(qū)體三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)骨架一致，該方法適合制備高氣孔率、開口氣孔的多孔陶瓷材料，且工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備操作方便，但此方法制備的陶瓷坯體強(qiáng)度不高，且孔結(jié)構(gòu)多為閉孔。

(2)添加造孔劑工藝。該工藝是在陶瓷漿料中混入一定的造孔劑，如：揮發(fā)性或可燃性物質(zhì)，如：碳酸鹽、碳粉、谷物、木屑等，這些造孔劑在高溫?zé)Y(jié)過程中發(fā)生分解、燃燒等化學(xué)反應(yīng)，以氣體形式逸出，在陶瓷基體中留下了孔洞，進(jìn)而得到多孔陶瓷，且該工藝可通過改變?cè)炜讋┑暮?、大小來調(diào)節(jié)材料氣孔率、孔徑大小。該工藝也可與其他工藝結(jié)合使用制備形狀復(fù)雜、多級(jí)孔結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能較高的陶瓷材料，但孔洞分布均勻性稍差，且為閉孔。

(3)發(fā)泡工藝。該工藝是向陶瓷組分中添加發(fā)泡劑，如：H2O2、CaCO3、Ca(OH)2等通過攪拌、翻滾或者鼓泡等方式使?jié){料中產(chǎn)生大量的氣泡，隨后經(jīng)過固化處理、干燥處理、高溫?zé)Y(jié)得到多孔陶瓷，用發(fā)泡法制備的多孔陶瓷兼具高開孔率和高力學(xué)性能，但缺點(diǎn)是該工藝制備周期長(zhǎng)、操作復(fù)雜。

(4)溶膠—凝膠工藝。該工藝主要是將引發(fā)劑加入到陶瓷漿料中產(chǎn)生聚合反應(yīng)得到陶瓷坯體，經(jīng)干燥、燒結(jié)，得到多孔陶瓷。該工藝可得到納米級(jí)、分布均勻的孔徑，可用來制備微孔陶瓷薄膜材料，但不易制備塊體陶瓷材料。

(5)攪拌發(fā)泡-凝膠注模法。該工藝是將陶瓷混合漿料發(fā)泡與凝膠注模工藝相結(jié)合制備泡沫陶瓷坯體，其空隙率高達(dá)90%以上，具高開孔率和高力學(xué)性能，可實(shí)現(xiàn)近凈成形，設(shè)備簡(jiǎn)單，脫模便捷，可成型復(fù)雜形狀的成品，因而受業(yè)界關(guān)注，然而由于常規(guī)的氧化-還原凝膠體系成型過程難以控制、氧阻凝以及單體毒性較強(qiáng)等原因工業(yè)化推廣受到限制。

多孔陶瓷以其較高孔隙率和巨大的比表面積使其在環(huán)境治理方向具有廣闊的應(yīng)用前景，已引起全球材料學(xué)科的重視。

2 多孔陶瓷在環(huán)境治理中的應(yīng)用

2.1 在固廢治理中的應(yīng)用

隨著礦產(chǎn)、冶金、能源等重工業(yè)的發(fā)展，資源節(jié)約與環(huán)境保護(hù)是當(dāng)今人類社會(huì)所面臨的兩大難題。“中華人民共和國(guó)固體廢棄物污染環(huán)境防治法”從2005年4月起開始施行，規(guī)定了固廢防治以“減量化、資源化和無害化”為原則[11]。固廢的二次利用，有助于資源可持續(xù)發(fā)展。工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生大量的固廢，常見的有粉煤灰、赤泥、硼泥、爐渣、尾礦、陶瓷廢料及污水處理廠的污泥、河道污泥等[12、13]。這些固廢堆存需占用大量的土地，如果單純的掩埋或堆放處理，勢(shì)必會(huì)影響當(dāng)?shù)氐乃春屯寥馈Ｑ芯堪l(fā)現(xiàn)，許多工業(yè)廢料中都含有如Al、Si、Mg、Ca系化合物，而這些化合物又是常用的陶瓷生產(chǎn)原料，可以用來制備多孔陶瓷等材料，這一應(yīng)用方向?yàn)楣I(yè)廢渣的回收處理和環(huán)境保護(hù)提供了新的想法。

周洋[14]等以北京首云礦業(yè)集團(tuán)公司鐵礦石開采產(chǎn)生的尾礦為主要原料，采用攪拌發(fā)泡—凝膠注模、常壓高溫?zé)Y(jié)工藝制備多孔陶瓷，通過研究粉塵過濾效果，得出多孔陶瓷在1 m/min的風(fēng)速下氣孔率分別為80.8%和84.9%的情況下，過濾阻力分別為174.39 Pa和169.49 Pa，過濾效率均高達(dá)99%。該制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，可規(guī)?；a(chǎn)，可將其應(yīng)用在工業(yè)廢氣除塵領(lǐng)域。這樣既能夠?qū)崿F(xiàn)尾礦資源再利用，同時(shí)又能夠減少工業(yè)廢氣中有機(jī)污染物的排放，有利于改善和保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

李玉香[15]等以電解錳渣、偏高嶺土和廢玻璃為原料制備出多孔陶瓷，通過研究燒結(jié)工藝對(duì)多孔陶瓷結(jié)構(gòu)性能的影響，表明：燒結(jié)溫度1 020 ℃，保溫時(shí)間45 min時(shí)多孔陶瓷的綜合性能最好，抗壓強(qiáng)度達(dá)3.9 MPa，氣孔率達(dá)77.2%，導(dǎo)熱系數(shù)為0.052 W/(m·K)，可用于外墻保溫材料，為固廢資源化提供了一條新途徑。

2.2 在廢水治理中的應(yīng)用

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生中產(chǎn)生大量的廢水，不僅是水資源的浪費(fèi)，而且對(duì)環(huán)境造成很大的破壞害，嚴(yán)重危害到人類日常生活，因此，我國(guó)廢水處理問題亟待解決。多孔陶瓷材料因其孔隙率較高，比表面積較大，耐高溫、耐磨損、耐化學(xué)腐蝕、機(jī)械強(qiáng)度高以及再生性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是較好的過濾、分離元件，可應(yīng)用于水的凈化處理，如吸附、過濾水中金屬離子、有機(jī)污染物等。其過濾機(jī)理主要為：慣性沖撞、擴(kuò)散和截留，廢水流經(jīng)多孔陶瓷，粒徑超過陶瓷孔徑的粒子被截留在陶瓷表面，形成濾餅層，其余雜質(zhì)粒子則通過慣性碰撞在陶瓷孔道壁被捕捉，或者受到布朗運(yùn)動(dòng)的影響擴(kuò)散、粘滯在孔道處。

馬非[16]等以易獲得、價(jià)格低的粘土為原料，聯(lián)用造孔劑添加法、顆粒堆積法兩種方法制備多孔陶瓷，探索了多孔陶瓷對(duì)Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+等重金屬離子的吸附能力和過濾機(jī)理，為多孔陶瓷處理重水污染提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

李林[17]等采用反應(yīng)燒結(jié)方法制備了SRBSN陶瓷膜，并用于含油廢水的分離處理，研究表明SRBSN多孔陶瓷膜具有較高的膜通量及良好的過濾效果。

2.3 在廢氣治理中的應(yīng)用

在化工、石油、電力等行業(yè)中，煤炭等化石燃料的使用產(chǎn)生大量高溫含塵有毒氣體，如氮氧化物、二氧化硫等，這些有毒氣體對(duì)生態(tài)環(huán)境及人們的健康生活帶來嚴(yán)重負(fù)面影響。多孔陶瓷機(jī)械性能高、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、耐酸堿腐蝕性好、無污染、比表面積大、可以加工成形等優(yōu)點(diǎn)，可作為催化劑載體及高溫?zé)煔鈨艋龎m裝置。多孔陶瓷比表面積較大、吸附性能和活性良好，可作為載體應(yīng)用在汽車尾氣處理器中，并且隨著多孔陶瓷附著的催化劑有效接觸面積的增大，催化反應(yīng)速率以及有毒氣體轉(zhuǎn)換效率也隨之提高。多孔陶瓷還可作為除塵凈化裝置在冶金、化工、能源等領(lǐng)域中都有廣泛應(yīng)用，這些行業(yè)排放的煙塵具有溫度高、氣體腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，常規(guī)的氣固分離除塵設(shè)備無法滿足企業(yè)需求，如濕法除塵不僅不能綜合利用余熱，還造成二次污染；布袋除塵耐高溫性能不高；靜電除塵存在儀器價(jià)格昂貴、占用空間大等方面的問題。目前，在高溫?zé)煔馓幚矸矫妫蟛糠制髽I(yè)首先采用水冷方式降低高溫?zé)焿m溫度，然后再使用布袋除塵器清除煙塵顆粒，但是這種方法增加了冷凝設(shè)備的采購(gòu)和運(yùn)行成本，也流失了大量的熱能。與目前大部分高溫除塵方式相比，采用多孔陶瓷凈化高溫?zé)煔獠粌H除塵效率更高，并且能夠過濾煙氣中的有害物質(zhì)，是高溫?zé)煔獬龎m凈化的優(yōu)異解決方案。

袁章福[18]等以SiC、Al2O3等為主要原料，制成非對(duì)稱陶瓷復(fù)合膜管，研究了煙塵過濾時(shí)滲透率、阻力之間的關(guān)系，結(jié)果表明制備的非對(duì)稱陶瓷管復(fù)膜具有較好的滲透性和較低的過濾阻力，煙塵過濾效率達(dá)98%以上，可作為氣固分離過濾器材料，應(yīng)用到高溫?zé)煔庵羞M(jìn)行除塵和凈化。

2.4 在噪聲治理中的應(yīng)用

噪聲是常見的環(huán)境污染現(xiàn)象之一，隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展，噪聲污染日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重影響人們正常的工作、學(xué)習(xí)和生活，因此研究吸音降噪解決方案也是社會(huì)發(fā)展的重要需求之一。多孔陶瓷材料內(nèi)部有眾多互相貫通的微小孔洞，當(dāng)聲波通過空氣介質(zhì)傳播到多孔陶瓷表面時(shí)，部分聲波被多孔陶瓷孔洞表面反射散開，其余聲波傳入到多孔陶瓷微小孔洞中，聲波在微小孔洞傳播過程中，會(huì)引起空氣運(yùn)動(dòng)，與孔洞表面產(chǎn)生摩擦，將聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑥亩_(dá)到吸音降噪的目的[19.20]。故可將其作為吸聲材料用在地鐵、隧道、高架橋、影院等對(duì)隔音要求較高的場(chǎng)合，將會(huì)取得較好的效果。

冼志勇[21]等以污染環(huán)境嚴(yán)重的陶瓷拋光磚廢料為主要原料，經(jīng)過燒結(jié)工藝，成功制備出能夠在眾多噪聲污染嚴(yán)重的環(huán)境中應(yīng)用的吸聲材料，其成本較低，且吸聲系數(shù)大于0.2。

3 結(jié)語

多孔陶瓷以其優(yōu)越的結(jié)構(gòu)與性能，在環(huán)境污染治理方面具有較大應(yīng)用前景。多孔陶瓷在社會(huì)上的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，用戶對(duì)于多孔陶瓷產(chǎn)品的性能指標(biāo)也逐漸提高，多孔陶瓷的社會(huì)應(yīng)用研究中依然存在很多難題亟待解決，總結(jié)來看主要難點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

1.建立控制多孔陶瓷制品的孔徑形狀、大小、分布等結(jié)構(gòu)特征的準(zhǔn)確、有效方法；

2.提高多孔陶瓷制品強(qiáng)度，并建立陶瓷制品孔結(jié)構(gòu)特征與其力學(xué)性能相對(duì)應(yīng)的參數(shù)模型；

3.進(jìn)一步研究陶瓷表面修飾及復(fù)合制備工藝，研發(fā)制備具有多功能的陶瓷材料，提高多孔陶瓷制品的應(yīng)用價(jià)值；

4.改善生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備，降低制備成本，提高生產(chǎn)效率，使其向規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

隨著國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的不斷研究與探索，相信多孔陶瓷材料研究難題將會(huì)被逐一突破，多孔陶瓷材料也將會(huì)被應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域，展現(xiàn)其更多的應(yīng)用價(jià)值。