溫奧寧, 李來時,梁瑞濤,赫麗米古麗·庫爾班,王昱征,吳玉勝

(沈陽工業(yè)大學 材料科學與工程學院,遼寧 沈陽 110870)

赤泥是鋁土礦生產氧化鋁過程中排放的一種紅褐色固體廢棄物,主要成分是Fe2O3、SiO2、Al2O3、MgO等。根據(jù)氧化鋁的生產工藝不同,可將赤泥劃分為拜耳法赤泥、燒結法赤泥、聯(lián)合法赤泥等[1]。據(jù)統(tǒng)計,每生產1噸 氧化鋁約產生 1.0～1.8 噸 赤泥,2020年,我國氧化鋁年產量為 7313萬噸,赤泥年產生量上億噸。然而,由于赤泥具有粒度細微、組分復雜、強堿性等特點[2-3],造成其資源化利用困難,目前我國赤泥的綜合利用率僅為5% 左右[4]。赤泥的大量產生、堆存,長期得不到有效利用,不僅占用大面積土地,而且會造成嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞。赤泥的長期堆存正在嚴重威脅著氧化鋁等氧化鋁工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5-7]。因此,開展赤泥的循環(huán)再利用對制鋁工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護具有十分重要的意義。

頁巖是一種沉積巖,抗風化能力比較弱,一般情況下,在較短的時間內容易發(fā)生破裂。伴隨著頁巖氣和頁巖油這兩種能源的不斷發(fā)現(xiàn)和開發(fā),對頁巖的研究利用越來越受到人類重視,與此同時近些年煤炭、鐵礦的開采以及公路、高速公路等大規(guī)模基礎設施的建設過程,經常需要剝離挖開大量頁巖層,并產生大量難以利用的頁巖礦物,這些礦物很難得以利用,大量堆存不僅占用土地,造成土地資源的浪費,還會破壞地球生態(tài)環(huán)境[5]。

本文結合赤泥和頁巖固體廢棄物大量堆存的現(xiàn)狀,主要研究了采用赤泥和頁巖制備發(fā)泡陶瓷材料,研究赤泥和頁巖不同配比和燒成溫度對發(fā)泡陶瓷的影響。對得到的樣品進行容重、XRD和SEM分析,分析陶瓷樣品的物相組成,探究反應機理。

1 實 驗

1.1 實驗原材料

實驗所用到的主要原料為赤泥(來自山東某氧化鋁廠)和頁巖(來自朝陽市朝陽縣),原料的化學成分見表1。

表1 實驗原料的化學成分 %

1.2 實驗儀器

表2 主要實驗設備

1.3 實驗步驟

本實驗制備發(fā)泡陶瓷工藝具體步驟如下:

(1)配方設計和配料

根據(jù)赤泥和其它固體廢棄物的化學成分進行配方設計,確定添加劑的加入量。將赤泥、頁巖和發(fā)泡劑混合作為原料。

(2)混料

將稱取的原料放入研缽中,研缽棒自轉,研缽公轉,直到將物料和添加劑充分混勻,得到原料。

(3)壓片

向混勻的原料中加入一定量的水在研缽中用相同的方法將其混勻,然后將原料放入壓機中進行壓片。

(4)焙燒

在耐火磚表面鋪一層氧化鋁粉末,將壓好片的原料放入燒結爐中,設定爐子的升溫曲線。

(5)切割成型

防止發(fā)泡陶瓷樣品由于自身應力裂開,樣品需要隨爐冷卻至室溫再取出,將得到的樣品進行切割,然后進行相關性能測試。

2 結果與討論

2.1 赤泥-頁巖配比對發(fā)泡陶瓷的影響

表3 原料配比 %

為探究赤泥和頁巖不同混合比例情況下對制備發(fā)泡陶瓷材料性能的影響,設計不同赤泥配比的配方進行單因素實驗研究。赤泥利用量比例分別為20%、30%、40%、50%進行配料,同時添加0.5%的發(fā)泡劑得到四組配合料,焙燒溫度為1200℃,對應得到四組樣品分別記為A1、A2、A3、A4,然后對其進行性能檢測與分析。

所得樣品的樣品容重如圖1所示,從圖中可以看出赤泥添加量在20%～50%之間,赤泥和頁巖燒結而成的發(fā)泡陶瓷材料的樣品容重總體上是上升的,但是上升的速率又有所不同。當赤泥添加量為20%時,樣品A1的容重為394 kg/m3,赤泥添加量達到30%時,樣品A2的容重為673 kg/m3,比樣品A1的容重上升了279 kg/m3,當赤泥添加量為40%時,樣品A3容重為1180 kg/m3,比樣品A2上升了507 kg/m3,之后隨著赤泥添加量的上增加,在赤泥添加量為50%時樣品容重達到1466 kg/m3,比樣品A3上升了286 kg/m3,在赤泥添加量在30%～40%之間樣品容重上升速率最大,在40%～50%之間又有所下降,此階段上升速率最低,20%～30%位于其他兩段之間。

圖1 赤泥加入量對樣品容重的影響

A1、A2、A3對其進行X射線衍射分析結果如圖2所示,從圖中可以看出,赤泥-頁巖制備的發(fā)泡陶瓷材料中的主要物相組成為赤鐵礦和長石類礦物,其中長石類礦物包括鈉長石、鈣長石、鈉鈣長石以及鉀鈉長石等。隨著赤泥添加量的增加,發(fā)泡陶瓷材料中的赤鐵礦的衍射峰強度增加比較明顯(分別在2θ=37°、42°和54°這三個衍射峰的時候,隨著赤泥添加量增加,赤鐵礦的衍射峰明顯增強),赤泥添加量為40%的時候樣品中赤鐵礦的衍射峰最強,說明原料中的赤鐵礦并沒有或者很少參與原料各組分之間的反應,純赤鐵礦的熔點大于1500℃,赤鐵礦若沒有與原料中的其他礦物反應,則以固體顆粒的形式分散于熔體中,共同形成發(fā)泡陶瓷的固體結構。長石類礦物的衍射峰隨著赤泥添加量增加而增加,從jade6軟件分結果可以看出,赤泥-頁巖發(fā)泡陶瓷樣品中并沒有石英相存在,SiO2與Na、Ca等堿金屬和堿土金屬礦物完全反應生成了長石類礦物。

圖2 赤泥-頁巖不同配比制備發(fā)泡陶瓷樣品的XRD譜圖

2.2 燒結溫度對發(fā)泡陶瓷的影響

赤泥和頁巖制備發(fā)泡陶瓷材料,發(fā)泡溫度對高溫熔體的粘度有著重要的影響,硅酸鹽熔體的粘度隨溫度變化而變化,而液相熔體粘度特性的變化能夠使得發(fā)泡陶瓷具有不同的性能。在探究不同燒結溫度對赤泥-頁巖發(fā)泡陶瓷性能影響時,設計發(fā)泡溫度為1190℃、1200℃、1210℃、1220℃,對應得到四組樣品分別記為B1、B2、B3、B4,然后對其進行性能檢測與分析。實驗原料中赤泥用量30%,頁巖70%,0.5%發(fā)泡劑。

所得樣品的容重如圖3所示。測試結果表明,赤泥-頁巖發(fā)泡陶瓷容重隨著發(fā)泡溫度的上升和降低。當發(fā)泡溫度為1190℃時,樣品的B1的容重為701 kg/m3,此時樣品的氣孔發(fā)育不完全,氣孔大小不均勻,大氣孔較少;當發(fā)泡溫度增加到1200℃時,樣品B2(A2)的容重為673 kg/m3,比較樣品B1降低了28 kg/m3,下降幅度較低,主要是樣品的氣孔有了明顯的發(fā)育長大,但依然偏高。當發(fā)泡溫度為1210℃時,樣品容重為576 kg/m3,比B2下降了97 kg/m3;繼續(xù)將溫度升高到1220℃時,樣品B4氣孔多而且比較均勻,樣品容重降到最低,容重為379 kg/m3,比B3下降了197 kg/m3,總之,樣品容重隨著溫度升高呈下降趨勢,并且在最后一個階段下降最為明顯。

圖3 燒結溫度對樣品容重的影響

圖4為發(fā)泡陶瓷樣品的宏觀照片,可以直觀的看出不同發(fā)泡溫度對赤泥-頁巖發(fā)泡陶瓷材料的氣孔結構、氣孔尺寸、氣孔均勻性和氣孔形狀的影響。發(fā)泡溫度為1190℃的時候,樣品的氣孔尺寸較小,孔徑尺寸在0.2～2 mm之間,樣品較B3密實,樣品容重是四個樣品中最大的。發(fā)泡溫度為1210℃時,樣品B3的氣孔大小分布不均勻,氣孔有大有小,存在聯(lián)通氣孔。樣品B4氣孔大小比較均勻,不存在大氣孔,并且氣孔大多獨立存在,聯(lián)通氣孔較少,氣孔形狀比較規(guī)則。

圖4 不同溫度下燒結而成的樣品宏觀照片

2.3 最優(yōu)條件下赤泥-頁巖發(fā)泡陶瓷樣品的表征

綜合考慮單因素條件實驗樣品的容重和樣品的宏觀形貌,赤泥-頁巖發(fā)泡陶瓷制備的最佳條件為:赤泥30%,頁巖70%,添加0.5%的發(fā)泡劑,焙燒溫度為1220℃,此時樣品的容重為379 kg/m3。

對樣品進行X射線衍射分析,結果如圖5所示,由分析可以知道,最優(yōu)條件下得到的發(fā)泡陶瓷樣品中主要物相組成為長石類礦物和赤鐵礦。在掃描電鏡下得到樣品微觀形貌如圖6所示,可以看出樣品的氣孔較為規(guī)則并且內部沒有出現(xiàn)裂紋。

圖5 最優(yōu)條件下得到的赤泥-頁巖發(fā)泡陶瓷樣品的XRD譜圖

圖6 最優(yōu)條件下得到的赤泥-頁巖發(fā)泡陶瓷材料的SEM圖片

3 結 論

通過實驗研究發(fā)現(xiàn),赤泥添加量在20%～50%之間,赤泥和頁巖燒結而成的發(fā)泡陶瓷材料的樣品容重總體上是上升的,但是上升的速率又有所不同。赤泥-頁巖發(fā)泡陶瓷容重隨著發(fā)泡溫度的上升而降低。

赤泥和頁巖為原料制備發(fā)泡陶瓷,根據(jù)單因素實驗分析,得到制備發(fā)泡陶瓷樣品的最優(yōu)條件為:赤泥30%,頁巖70%,添加0.5%發(fā)泡劑,焙燒溫度1220℃,該條件下制備的樣品容重為379 kg/m3,樣品的主要物相組成為長石類礦物和赤鐵礦。