专利名称：一种粉煤灰制备莫来石质微孔曝气头(板)的方法
技术领域：
本发明属于特种陶瓷技术领域，涉及污水生化处理过程中向水中高效充氧的微孔曝气头/板的制造方法。
背景技术：
曝气是污水好氧生物处理系统中的一个重要的工艺过程。微孔曝气器的作用是将空气分散成气泡，扩散到混合液中，使气泡中的氧溶解到混合液中，提供微生物生化反应所需要的溶解氧，同时保证污水的充分混合，使活性污泥处于悬浮状态，通过泥、水、气三相的充分接触，保证活性污泥充分利用水中溶解氧来分解有机污染物和氮、磷营养物。曝气效果的好坏极大地影响生物处理系统的效率，而微孔曝气头/板的材料与结构直接影响曝气效果。
微孔曝气头在美国、英国、法国和日本等国都进行过研制，并有产品出售。美国和日本研制的微孔曝气头，材质为刚玉质和塑料质。我国北京市政设计院、天津油石厂、宜兴市大塔耐火材料厂、宜兴大新陶瓷厂等单位也分别试制过曝气头/板，材质分别为刚玉质和半刚玉质。
目前，微孔曝气头主要材质有橡胶膜片、聚乙烯、刚玉质或半刚玉质。至今还没有莫来石质微孔曝气头的相关专利和文献报道。橡胶材料，机械强度差，容易腐蚀老化，使用寿命短；聚乙烯曝气头，机械强度和化学稳定性虽优于橡胶膜片，但如处理城市污水或含油类、酚类石化污水，特别是夏天使用温度较高(达46℃)和酚类浓度较高条件下，耐久性普遍不高，其强度也难以适应抵抗水流的剪应力；刚玉质或半刚玉质，机械强度高，化学稳定性好，但布气层厚、孔道粗糙，易堵塞。微孔曝气头及其制造方法(中国专利授权公告号CN1035053C)所述的方法，提供一种抗压强度好、气孔孔径小，分布均匀的微孔曝孔头及其制造方法，但其烧制时间过长(65小时～75小时)，制造工艺繁杂。半刚玉质微孔曝气头及其制造方法(中国专利授权公告号CN 1038443)所述的方法，组分过多，形成材料的物相复杂，且添加过多的石英砂，影响材质的抗压强度。
发明内容本发明目的是利用粉煤灰为主要原料，制备莫来石质微孔曝气头/板，具有高强度、抗腐蚀、耐老化、孔径微小均匀等特点，为污水生化处理提供一种经济、有效、环保的方法。
本发明是通过这样的技术方案来实现的，它是以特定成分的粉煤灰为主要原料，同铝矾土、助烧剂等粉状原料，按照设计配方，进行配料、湿法球磨、干燥、造粒、成型、烘干、焙烧而成。
具体步骤如下1.粉煤灰处理于105℃充分烘干，干燥时间依粉煤灰含水量而定，球磨机粉磨至200目以下。
2.配料要求粉煤灰化学成分中含有较高的Al2O3和SiO2，配料设计中，莫来石的组成由粉煤灰提供铝和硅，铝不足部分由铝矾土提供，配料组成为粉煤灰42～76％铝矾土18～53％成孔剂(石灰石或白云岩)2～6％助烧剂(粘土30～50％，钾长石50～70％) 2～5％3.混料、球磨、干燥将配料混合湿法球磨，至粒度中位径10μm左右，干燥得粉体。
4.造粒、制坯、烘干在粉料中外加入重量比3～6％的粘结剂(聚乙烯醇或甲基纤维素水溶液)，造粒后，在铁质或钢质模中干压成形，成型压力为40～60MPa，压制好试样修坯后于105℃条件下烘干。
5.烧制将烘干坯体置于工业电炉或窑中焙烧，以8℃/min升温速率升至800℃后，以10℃/min的速率继续升温，至烧制温度，保温2～4小时，烧制温度在1300～1500℃之间，自然冷却。
关键技术说明本发明一种粉煤灰制备莫来石质微孔曝气头/板的方法，所采用粉煤灰为高铝粉煤灰，主要由玻璃微珠和莫来石微晶组成，粉煤灰的显微形貌见附图2。
粉煤灰制备莫来石质微孔曝气头的反应机理莫来石微晶的形成过程在煅烧时，体系形成部分高温液相量，粉煤灰中原有莫来石雏晶按比例吸收周围玻璃熔体中SiO2和Al2O3，逐渐生长形成莫来石微晶；熔融相中SiO2和Al2O3达到一定浓度后，开始分相，在杂质点成核，特别是在高熔点Al2O3周围析出莫来石相，进一步生长形成莫来石微晶。钾长石起到助熔作用，形成较多的高温液相量，促进莫来石微晶生长。
微气孔的形成过程主要受以下四个因素影响。一为成孔剂在高温下分解释放出气体而留下的气孔；二为坯体颗粒堆积遗留下来的残余气孔；三为SiO2在毛细管力作用下的转移效应所致，由于毛细管作用，液相向周围Al2O3间隙中转移，SiO2和Al2O3不断溶解，形成莫来石相，莫来石相析出后，熔融相中Si4+和Al3+浓度不断降低，需要由SiO2和Al2O3的溶解来补充，SiO2的熔解及液相的转移，导致在SiO2颗粒处遗留下孔洞；四为生成莫来石时体积膨胀效应所致，形成莫来石晶体过程体积增大，使得在毛细管力作用下抑制了残存Al2O3相互靠拢，而使SiO2处留下的孔洞难以缩小。
本发明方法，可采用传统陶瓷工业的生产工艺，直接以粉煤灰作为主要原料，制备莫来石质微孔曝气头，具有机械强度高、孔径分布均匀微细、化学稳定性好、使用寿命长等优点。本发明生产工艺简单，成本低廉，原料来源广泛，也为粉煤灰的高效资源化利用提供一种新途径。我国是粉煤灰排放的大国，2002年粉煤灰的排放量达1.8亿吨，大多呈露天堆放，累计储存量超过14亿吨，侵占耕地，污染环境。当前我国粉煤灰利用水平也比较低，主要集中在建材墙体、水泥、混凝土、道路基层等方面。粉煤灰成分组成虽有一定变化，但其主要化学成分为Al2O3和SiO2，主要物相为玻璃相和莫来石，见附图1。莫来石为Al2O3-SiO2体系的稳定化合物，具有许多优良的特性，如热稳定性、化学稳定性和较高的机械强度等，是目前重要的工程结构陶瓷材料。本发明利用粉煤灰的化学成分和物相组成的优势，制备莫来石质微孔曝气材料，充分发挥其高强度、抗腐蚀、耐老化等性能。
图1为本发明的粉煤灰的XRD图。
图2为本发明的粉煤灰的SEM图。
图3为本发明的莫来石质微孔曝气头的XRD图。
图4为本发明的莫来石质微孔曝气头SEM图具体实施方式
以北京石景山电厂的粉煤灰，同铝矾土、助熔剂等原料，按照设计配方，进行配料、湿法球磨、干燥、造粒、成型、烘干、烧制而得制品。
实施例1配料加入量(重量百分数)粉煤灰47.70份，铝矾土52.30份，石灰石2.50份，钾长石2.00份，膨润土1.00份；烧制温度为1450℃，保温时间3小时。
实施例2配料加入量(重量百分数)粉煤灰58.33份，铝矾土41.67份，石灰石2.50份，钾长石2.00份，膨润土1.00份；烧制温度为1350℃，保温时间3小时。
实施例3配料加入量(重量百分数)粉煤灰74.35份，铝矾土25.65份，石灰石2.50份，钾长石2.00份，膨润土1.00份；烧制温度为1350℃，保温时间2小时。
实施例结果对本发明利用粉煤灰制备莫来石质微孔曝气头，进行粉晶X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)分析，结果表明，微孔曝气头材料主要晶相为莫来石，如图3；莫来石微晶体呈四方柱状，长度在4～12μm之间，交错状排列，材料孔隙率高，孔径分布较均匀，孔隙在2～40μm之间，主要集中在10～20μm之间。莫来石质微孔曝气头的性能测试结果见表1。
表1粉煤灰制备莫来石质微孔曝气板的基本性能
权利要求
1.一种粉煤灰制备莫来石质微孔曝气头/板，其特征在于原料配量的重量百分比为粉煤灰42-76％铝矾土18-53％成孔剂2-6％助烧剂2-5％。
2.根据权利要求1所述的莫来石质微孔曝气头/板，其特征在于原料的组成为成孔剂石灰石或白云岩助烧剂粘土和长石，重量百分比粘土30-50％，长石50-70％粘结剂聚乙烯醇或甲基纤维素。
3.根据权利要求1或2所述的莫来石质微孔曝气头/板，其特征在于还可以加入重量比为3-6％的粘结剂。
4.一种粉煤灰制备莫来石质微孔曝气头/板的方法，其特征在于以粉煤灰为主要原料，与成孔剂、铝矾土和助烧剂混匀，湿法球磨，干燥得粉体，在粉料中添加粘结剂混合，再经造粒机造粒、压形制坯、烘干后烧制而成。
5.根据权利要求4所述的制备莫来石质微孔曝气头/板的方法，其特征在于莫来石质微孔曝气头的烧制温度为1300-1500℃，保温时间为2-4小时。
全文摘要
本发明属于特种陶瓷技术领域，涉及污水生化处理过程中向水中高效充氧的微孔曝气头/板的制造方法。本发明方法，可采用传统陶瓷工业的生产工艺，直接以粉煤灰作为主要原料，制备莫来石质微孔曝气头。本发明制备的微孔曝气头，材料的主要晶相为莫来石，微晶呈四方柱状，长度在4～12μm之间，交错状排列，材料孔隙率为35～50％，孔径分布较均匀，孔隙在2～40μm之间，主要集中在10～20μm之间，抗压强度为80～140MPa。本方法生产工艺简单，成本低廉，原料来源广泛，微孔曝气头孔径分布均匀，机械强度高，化学稳定性好，使用寿命长，为污水生化处理提供一种经济、有效、环保的方法，也为粉煤灰的高效资源化利用提供一种新途径。
文档编号C04B38/06GK1844041SQ200610078020
公开日2006年10月11日 申请日期2006年4月30日 优先权日2006年4月30日
发明者赵子然, 迟振卿 申请人:中国地质科学院地质研究所