梁昌金 林少敏 劉桂文

摘 要：隨著我國工業(yè)化進程的不斷發(fā)展，陶瓷和電鍍行業(yè)各自面臨著重要的污染問題。以陶瓷廢料為原料制備多孔陶瓷用作電鍍廢水處理的填料，是解決兩大行業(yè)污染問題的有利途徑。從實驗室角度出發(fā)，利用不同制備方法的正交實驗設計，獲得了氣孔率、吸附率、抗壓和抗腐蝕強度都比較好的多孔陶瓷，可用作后續(xù)電鍍廢水處理填料的備選材料。

關鍵詞：陶瓷廢料;電鍍廢水;多孔陶瓷;吸附劑

1 前 言

隨著我國城市化進程的加快，我國陶瓷產量已占世界陶瓷總產量的65%以上。但是在陶瓷產品的生產過程中，從原料處理、混料、球磨到坯體制備、燒成、干燥等全過程都會產生廢料。此外，還有各種廢棄的建筑陶瓷用品、日用生活陶瓷、專用陶瓷的廢料等[1]。這些廢料通常采用簡單的填埋方式進行處理和處置，不僅占地面積大，而且不可避免地導致了嚴重的環(huán)境污染。顯然，回收陶瓷廢料有助于節(jié)約資源和解決問題[2，3]。通過添加造孔劑，陶瓷廢料做原料可以生產多孔陶瓷，用于輕質建材，或吸附和過濾材料是一種比較環(huán)保的回收利用方式[4]。

電鍍行業(yè)既為我國的重要工業(yè)也是高污染行業(yè)。電鍍廢水污染嚴重，其中含有鉛、鉻、鎘等有毒或有害的重金屬，處理難度大[5]。廢水中的鉻有三價和六價兩種，三價鉻毒性相對來說較低，可以以氫氧物的狀態(tài)沉淀;六價鉻的毒性強，是三價鉻的百倍。Cr3+與Cr6+可以在一定條件下轉化，Cr6+會直接造成環(huán)境污染，因此Cr3+對環(huán)境具有隱性威脅[6，7]。電鍍廢水中重金屬的處理方法主要有化學沉淀法、離子交換法、吸附法、膜分離法、電化學法、生物法等，其中吸附法操作簡單、成本低，對污染物質的選擇性小，是一種常用的方法[8]。本文從實驗室角度出發(fā)，研究使用陶瓷廢料為原料，以稻殼粉末為造孔劑，制備多孔陶瓷，用于吸附模擬電鍍廢水中的Cr3+。

2實驗部分

2.1實驗材料

陶瓷廢料：取自楓溪某日用陶瓷廠，用來增加強度;

素燒前后的粘土廢料：取自學校拉坯室素燒前后的陶泥廢料，用來增加可塑性;

廢玻璃：取自某玻璃制品加工商的碎玻璃，用來增加粘結性;

稻殼：取自某稻米加工廠，粉碎后作造孔劑。

2.2 主要實驗設備

2.3多孔陶瓷的制備

將陶瓷廢料、素燒前后的粘土廢料、廢玻璃及稻殼按不同比例混合后用粉碎機粉碎，過100目的標準篩。粉末充分混合后加水做成泥料，控制含水率在60%-70%。為保證燒成充分及后期易破碎，用蜂窩制樣器壓制成蜂窩狀坯體（如圖1a所示）。坯體在電熱恒溫鼓風干燥箱中烘干后放入窯爐按照一定的燒成曲線燒制成型（如圖1b所示）。

為提高實驗效率，快速找到不同配方及燒制條件對多孔陶瓷性能的影響，采用正交實驗設計，考察造孔劑含量、粘結劑含量、燒成溫度及保溫時間四個影響因素，每個因素取3個不同水平，設計成4因素3水平的正交實驗。具體設計如下表所示：

2.4 多孔陶瓷的性能測試

另取上述不同配方的泥料壓制成試塊，按照相同的燒成曲線燒制成型。用真空吸水率儀測其孔隙率，用萬能試驗機測其抗壓強度，用掃描電鏡觀察顆粒形貌，并對吸附效果最好的一組做耐腐蝕實驗。

2.5吸附實驗

采用顎式破碎機將燒好的多孔陶瓷破碎后選取20-40目之間的顆粒用去離子水沖洗，洗掉表面粘附的粉末后105℃烘干做Cr（III）的吸附實驗。

取5g顆粒放入100mL錐形瓶中，加入50mL濃度為10mg/L，pH為7.5的Cr（III）溶液，然后將錐形瓶封口放入恒溫水浴振蕩器中，25℃，150r/min震蕩吸附24h后離心取上清液過0.45μm濾膜，用原子吸收分光光度計測定上清液中Cr（III）的濃度，按以下公式計算吸附率：

吸附率=×100%? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?⑴

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

3結果與討論

3.1 不同配方對氣孔率、抗壓強度及吸附率的影響

不同制備條件下多孔陶瓷的各種性能測試結果如表3。

氣孔率是陶瓷材料致密程度的表征。普通陶瓷需要氣孔率越低越好，而本實驗制備的多孔陶瓷完全相反，是需要氣孔率越高越好，氣孔率越高，則比表面積越大，表面能越高，吸附效果越好。由表3可見，實驗8的氣孔率是36.14%，此時的造孔劑用量為15%，粘結劑的用量為10%，燒成溫度為1000℃，保溫時間為90min。由極差R可知，造孔劑的用量對氣孔率的影響效果最明顯。

抗壓強度是指多孔陶瓷在原始狀態(tài)不受損傷時所能承受的最大壓力。測試多孔陶瓷的抗壓強度是后續(xù)其做污水處理填料的重要指標。由表3可知，實驗5樣品的抗壓強度為34.1 MPa，造孔劑的用量對抗壓強度影響顯著。多孔陶瓷最主要的破壞不是塑性形變，而是脆性裂紋形變。綜合比較，各實驗的抗壓強度差別不大，結構相對堅固，滿足作為污水處理填料的要求。

通過模擬電鍍廢水中Cr（III）的吸附可以看出，氣孔率的多少直接影響著吸附效果?？梢姸嗫滋沾蓪r（III）的吸附主要屬于物理吸附，且吸附效果一般，后續(xù)如做電鍍廢水填料吸附劑使用，需通過提高孔隙率或改性來提高其吸附性能。

3.2 耐腐蝕性

電鍍廢水的種類很多，其中的酸洗廢水的pH在2以下[5]。因此，要求廢水處理填料要有一定的耐腐蝕性。由正交實驗結果可知，實驗8的孔隙率及吸附效果最好，且抗壓強度較高，擬作后續(xù)應用，因此選取實驗8所得的樣品做酸堿耐腐蝕實驗。將樣品放在百分之二十的硫酸溶液（或百分之一的氫氧化鈉溶液）中煮沸60min，重量比腐蝕前重量減少的百分比率，就是這個樣品的耐酸腐蝕重量損失率。具體測試結果如表4。

從對實驗8所得樣品的耐腐蝕性試驗結果可以看出，樣品重量損失很小，低于2%，可能是由樣品中一些粉末顆粒及不穩(wěn)定的化學物質引起，但總體來說耐腐蝕性良好。

3.3 SEM分析

選取吸附效果好的3個樣品（實驗7、8、9）進行了簡單的SEM形貌測試。

從圖2可見，1000℃時得到的氣孔分布較好。1200℃時得到的氣孔最少，這是因為高溫燒結時，溫度達到了部分組分的熔點，熔融形成玻璃相，填充了有機物燒失后留下的氣孔，堵塞微孔，同時也使宏孔變小，從而導致氣孔率下降。因此，除造孔劑外，燒成溫度也是影響吸附率的一個重要因素。

4結論

通過正交實驗結果可知，實驗8，即：造孔劑用量為15%，粘結劑的用量為10%，燒成溫度為1000℃，保溫時間為90min，燒制的多孔陶瓷樣品孔隙率和吸附率都比較高，配方中造孔劑的含量對二者的影響比較顯著。SEM圖片顯示，燒制溫度對氣孔分布也有較大的影響。經抗壓和耐腐蝕測試顯示有較好的耐壓強度和抗腐蝕性，適合用作后期的電鍍廢水處理填料。后續(xù)如果能在不影響樣品耐性的條件下，通過改變完善配方或者改性來提高氣孔率和吸附效果，所得的多孔陶瓷樣品會更有工業(yè)使用價值。

參考文獻

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[2] 鄭秀亮.陶瓷廢料不再“廢”[J] .環(huán)境，2012， （10）：20-22.

[3] 龍海仁.多孔陶瓷的制備[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] 陳莎莎，潘浩宇，陳然，等.電鍍廢水處理回用工藝優(yōu)化與工程實踐[J].復旦學報（自然科學版），2014，53（02）：249-254.

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[7] 林文杰.電鍍廢水的鉻污染特征及調控[J].環(huán)境科學與技術，2010，33（08）：156-158.

[8] 王文星. 電鍍廢水處理技術研究現狀及趨勢[J].電鍍與精飾，2011，33（05）：42-46.