專利名稱：一種粉煤灰制備莫來石質微孔曝氣頭(板)的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于特種陶瓷技術領域，涉及污水生化處理過程中向水中高效充氧的微孔曝氣頭/板的制造方法。
背景技術：
曝氣是污水好氧生物處理系統(tǒng)中的一個重要的工藝過程。微孔曝氣器的作用是將空氣分散成氣泡，擴散到混合液中，使氣泡中的氧溶解到混合液中，提供微生物生化反應所需要的溶解氧，同時保證污水的充分混合，使活性污泥處于懸浮狀態(tài)，通過泥、水、氣三相的充分接觸，保證活性污泥充分利用水中溶解氧來分解有機污染物和氮、磷營養(yǎng)物。曝氣效果的好壞極大地影響生物處理系統(tǒng)的效率，而微孔曝氣頭/板的材料與結構直接影響曝氣效果。
微孔曝氣頭在美國、英國、法國和日本等國都進行過研制，并有產(chǎn)品出售。美國和日本研制的微孔曝氣頭，材質為剛玉質和塑料質。我國北京市政設計院、天津油石廠、宜興市大塔耐火材料廠、宜興大新陶瓷廠等單位也分別試制過曝氣頭/板，材質分別為剛玉質和半剛玉質。
目前，微孔曝氣頭主要材質有橡膠膜片、聚乙烯、剛玉質或半剛玉質。至今還沒有莫來石質微孔曝氣頭的相關專利和文獻報道。橡膠材料，機械強度差，容易腐蝕老化，使用壽命短；聚乙烯曝氣頭，機械強度和化學穩(wěn)定性雖優(yōu)于橡膠膜片，但如處理城市污水或含油類、酚類石化污水，特別是夏天使用溫度較高(達46℃)和酚類濃度較高條件下，耐久性普遍不高，其強度也難以適應抵抗水流的剪應力；剛玉質或半剛玉質，機械強度高，化學穩(wěn)定性好，但布氣層厚、孔道粗糙，易堵塞。微孔曝氣頭及其制造方法(中國專利授權公告號CN1035053C)所述的方法，提供一種抗壓強度好、氣孔孔徑小，分布均勻的微孔曝孔頭及其制造方法，但其燒制時間過長(65小時～75小時)，制造工藝繁雜。半剛玉質微孔曝氣頭及其制造方法(中國專利授權公告號CN 1038443)所述的方法，組分過多，形成材料的物相復雜，且添加過多的石英砂，影響材質的抗壓強度。

發(fā)明內容本發(fā)明目的是利用粉煤灰為主要原料，制備莫來石質微孔曝氣頭/板，具有高強度、抗腐蝕、耐老化、孔徑微小均勻等特點，為污水生化處理提供一種經(jīng)濟、有效、環(huán)保的方法。
本發(fā)明是通過這樣的技術方案來實現(xiàn)的，它是以特定成分的粉煤灰為主要原料，同鋁礬土、助燒劑等粉狀原料，按照設計配方，進行配料、濕法球磨、干燥、造粒、成型、烘干、焙燒而成。
具體步驟如下1.粉煤灰處理于105℃充分烘干，干燥時間依粉煤灰含水量而定，球磨機粉磨至200目以下。
2.配料要求粉煤灰化學成分中含有較高的Al2O3和SiO2，配料設計中，莫來石的組成由粉煤灰提供鋁和硅，鋁不足部分由鋁礬土提供，配料組成為粉煤灰42～76％鋁礬土18～53％成孔劑(石灰石或白云巖)2～6％助燒劑(粘土30～50％，鉀長石50～70％) 2～5％3.混料、球磨、干燥將配料混合濕法球磨，至粒度中位徑10μm左右，干燥得粉體。
4.造粒、制坯、烘干在粉料中外加入重量比3～6％的粘結劑(聚乙烯醇或甲基纖維素水溶液)，造粒后，在鐵質或鋼質模中干壓成形，成型壓力為40～60MPa，壓制好試樣修坯后于105℃條件下烘干。
5.燒制將烘干坯體置于工業(yè)電爐或窯中焙燒，以8℃/min升溫速率升至800℃后，以10℃/min的速率繼續(xù)升溫，至燒制溫度，保溫2～4小時，燒制溫度在1300～1500℃之間，自然冷卻。
關鍵技術說明本發(fā)明一種粉煤灰制備莫來石質微孔曝氣頭/板的方法，所采用粉煤灰為高鋁粉煤灰，主要由玻璃微珠和莫來石微晶組成，粉煤灰的顯微形貌見附圖2。
粉煤灰制備莫來石質微孔曝氣頭的反應機理莫來石微晶的形成過程在煅燒時，體系形成部分高溫液相量，粉煤灰中原有莫來石雛晶按比例吸收周圍玻璃熔體中SiO2和Al2O3，逐漸生長形成莫來石微晶；熔融相中SiO2和Al2O3達到一定濃度后，開始分相，在雜質點成核，特別是在高熔點Al2O3周圍析出莫來石相，進一步生長形成莫來石微晶。鉀長石起到助熔作用，形成較多的高溫液相量，促進莫來石微晶生長。
微氣孔的形成過程主要受以下四個因素影響。一為成孔劑在高溫下分解釋放出氣體而留下的氣孔；二為坯體顆粒堆積遺留下來的殘余氣孔；三為SiO2在毛細管力作用下的轉移效應所致，由于毛細管作用，液相向周圍Al2O3間隙中轉移，SiO2和Al2O3不斷溶解，形成莫來石相，莫來石相析出后，熔融相中Si4+和Al3+濃度不斷降低，需要由SiO2和Al2O3的溶解來補充，SiO2的熔解及液相的轉移，導致在SiO2顆粒處遺留下孔洞；四為生成莫來石時體積膨脹效應所致，形成莫來石晶體過程體積增大，使得在毛細管力作用下抑制了殘存Al2O3相互靠攏，而使SiO2處留下的孔洞難以縮小。
本發(fā)明方法，可采用傳統(tǒng)陶瓷工業(yè)的生產(chǎn)工藝，直接以粉煤灰作為主要原料，制備莫來石質微孔曝氣頭，具有機械強度高、孔徑分布均勻微細、化學穩(wěn)定性好、使用壽命長等優(yōu)點。本發(fā)明生產(chǎn)工藝簡單，成本低廉，原料來源廣泛，也為粉煤灰的高效資源化利用提供一種新途徑。我國是粉煤灰排放的大國，2002年粉煤灰的排放量達1.8億噸，大多呈露天堆放，累計儲存量超過14億噸，侵占耕地，污染環(huán)境。當前我國粉煤灰利用水平也比較低，主要集中在建材墻體、水泥、混凝土、道路基層等方面。粉煤灰成分組成雖有一定變化，但其主要化學成分為Al2O3和SiO2，主要物相為玻璃相和莫來石，見附圖1。莫來石為Al2O3-SiO2體系的穩(wěn)定化合物，具有許多優(yōu)良的特性，如熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和較高的機械強度等，是目前重要的工程結構陶瓷材料。本發(fā)明利用粉煤灰的化學成分和物相組成的優(yōu)勢，制備莫來石質微孔曝氣材料，充分發(fā)揮其高強度、抗腐蝕、耐老化等性能。


圖1為本發(fā)明的粉煤灰的XRD圖。
圖2為本發(fā)明的粉煤灰的SEM圖。
圖3為本發(fā)明的莫來石質微孔曝氣頭的XRD圖。
圖4為本發(fā)明的莫來石質微孔曝氣頭SEM圖具體實施方式
以北京石景山電廠的粉煤灰，同鋁礬土、助熔劑等原料，按照設計配方，進行配料、濕法球磨、干燥、造粒、成型、烘干、燒制而得制品。
實施例1配料加入量(重量百分數(shù))粉煤灰47.70份，鋁礬土52.30份，石灰石2.50份，鉀長石2.00份，膨潤土1.00份；燒制溫度為1450℃，保溫時間3小時。
實施例2配料加入量(重量百分數(shù))粉煤灰58.33份，鋁礬土41.67份，石灰石2.50份，鉀長石2.00份，膨潤土1.00份；燒制溫度為1350℃，保溫時間3小時。
實施例3配料加入量(重量百分數(shù))粉煤灰74.35份，鋁礬土25.65份，石灰石2.50份，鉀長石2.00份，膨潤土1.00份；燒制溫度為1350℃，保溫時間2小時。
實施例結果對本發(fā)明利用粉煤灰制備莫來石質微孔曝氣頭，進行粉晶X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)分析，結果表明，微孔曝氣頭材料主要晶相為莫來石，如圖3；莫來石微晶體呈四方柱狀，長度在4～12μm之間，交錯狀排列，材料孔隙率高，孔徑分布較均勻，孔隙在2～40μm之間，主要集中在10～20μm之間。莫來石質微孔曝氣頭的性能測試結果見表1。
表1粉煤灰制備莫來石質微孔曝氣板的基本性能
權利要求
1.一種粉煤灰制備莫來石質微孔曝氣頭/板，其特征在于原料配量的重量百分比為粉煤灰42-76％鋁礬土18-53％成孔劑2-6％助燒劑2-5％。
2.根據(jù)權利要求1所述的莫來石質微孔曝氣頭/板，其特征在于原料的組成為成孔劑石灰石或白云巖助燒劑粘土和長石，重量百分比粘土30-50％，長石50-70％粘結劑聚乙烯醇或甲基纖維素。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的莫來石質微孔曝氣頭/板，其特征在于還可以加入重量比為3-6％的粘結劑。
4.一種粉煤灰制備莫來石質微孔曝氣頭/板的方法，其特征在于以粉煤灰為主要原料，與成孔劑、鋁礬土和助燒劑混勻，濕法球磨，干燥得粉體，在粉料中添加粘結劑混合，再經(jīng)造粒機造粒、壓形制坯、烘干后燒制而成。
5.根據(jù)權利要求4所述的制備莫來石質微孔曝氣頭/板的方法，其特征在于莫來石質微孔曝氣頭的燒制溫度為1300-1500℃，保溫時間為2-4小時。
全文摘要
本發(fā)明屬于特種陶瓷技術領域，涉及污水生化處理過程中向水中高效充氧的微孔曝氣頭/板的制造方法。本發(fā)明方法，可采用傳統(tǒng)陶瓷工業(yè)的生產(chǎn)工藝，直接以粉煤灰作為主要原料，制備莫來石質微孔曝氣頭。本發(fā)明制備的微孔曝氣頭，材料的主要晶相為莫來石，微晶呈四方柱狀，長度在4～12μm之間，交錯狀排列，材料孔隙率為35～50％，孔徑分布較均勻，孔隙在2～40μm之間，主要集中在10～20μm之間，抗壓強度為80～140MPa。本方法生產(chǎn)工藝簡單，成本低廉，原料來源廣泛，微孔曝氣頭孔徑分布均勻，機械強度高，化學穩(wěn)定性好，使用壽命長，為污水生化處理提供一種經(jīng)濟、有效、環(huán)保的方法，也為粉煤灰的高效資源化利用提供一種新途徑。
文檔編號C04B38/06GK1844041SQ200610078020
公開日2006年10月11日 申請日期2006年4月30日 優(yōu)先權日2006年4月30日
發(fā)明者趙子然, 遲振卿 申請人:中國地質科學院地質研究所