利用北京地区细颗粒铁尾矿制备多孔陶瓷工艺及性能研究

摘要

随着工业和社会的发展，资源节约与环境保护是当今人类社会所面临的两大难题。据统计，截止到2014年底，我国堆存的各类矿山尾矿为146亿吨。目前，多孔陶瓷作为一种新型的过滤材料，已经在很多方面得到了广泛的应用。以尾矿为原料制备多孔陶瓷，能够将污染环境的工业固体废弃物转变为节能环保的工业新产品，对于我国的环境保护事业具有十分重要的意义。
　　本文以北京密云地区首云矿业集团公司2015年铁矿石开采产生的泥状细颗粒铁尾矿为主要原料，采用搅拌发泡-凝胶注模成形、常压烧结工艺制备铁尾矿多孔陶瓷。结合XRD分析、SEM微观分析以及多孔陶瓷物理性能与力学性能测试，研究了料浆固相含量、烧结温度和保温时间等因素对材料结构和性能的影响。并对铁尾矿多孔陶瓷的粉尘过滤效果进行了测试，取得了良好的实验结果。论文取得以下主要研究成果:
　　(1)在1100℃保温3h的烧结条件下，随着成形工艺中铁尾矿料浆固相含量的增加，多孔陶瓷的线收缩率降低、显气孔率下降、孔径变小，体积密度和抗压强度增大、孔壁变厚。综合考虑铁尾矿多孔陶瓷的孔隙率和强度，成形时铁尾矿料浆的最佳固相含量为45wt.％，所制备多孔陶瓷的体积密度、显气孔率和抗压强度分别为0.42g/cm3、83％、1.45MPa。
　　(2)在料浆固相含量为45wt.％，烧结保温3h的条件下，研究了1070～1120℃温度区间内烧结温度对多孔陶瓷结构和性能的影响。综合分析表明，在1100℃保温3h制备出的铁尾矿多孔陶瓷性能最佳。
　　(3)在料浆固相含量为45wt.％，烧结温度为1090℃的条件下，研究了3～11h区间内保温时间对多孔陶瓷结构和性能的影响。结果表明，随着保温时间的延长，烧结制品的线收缩率、体积密度和抗压强度均呈上升趋势，而吸水率和显气孔率则呈下降趋势。微观分析发现，随保温时间延长，多孔陶瓷内部的玻璃相含量逐渐增多。综合分析表明，1090℃保温7h制备的多孔陶瓷样品性能最优，其体积密度、显气孔率和抗压强度分别为0.43g/cm3、84％、1.42MPa。
　　(4)采用气孔率为81.8％的多孔陶瓷进行了抗热震及耐酸碱腐蚀性测试，结果表明在900℃～室温的热震试验中，多孔陶瓷的平均抗热震次数为50次，热震30次后强度损失率约为50％。经酸、碱溶液微沸状态下浸泡腐蚀1h之后，多孔陶瓷的重量损失率分别为3.45％和2.11％。
　　(5)采用气孔率分别为80.8％和84.9％的两种多孔陶瓷进行了粉尘过滤测试，结果表明在1m/min的风速下，两种多孔陶瓷的过滤阻力分别为174.39Pa和169.49Pa，粉尘过滤效率均高达99％。
　　本文研究结果表明，采用细颗粒铁尾矿制备多孔陶瓷材料工艺简单，成本低廉，可规模化生产，所制备多孔陶瓷满足工业废气除尘的要求，在该领域具有广阔的应用前景。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 引言

1．2 北京地区铁尾矿简介

1．3 铁尾矿的国内外综合利用现状

1．3．1 国外铁尾矿的综合利用现状

1．3．2 国内铁尾矿的综合利用现状

1．4 工业气体过滤除尘技术研究现状

1．5 多孔陶瓷的过滤机理

1．6 多孔陶瓷的制备方法

1．6．1 添加造孔剂法

1．6．2 有机泡沫浸渍法

1．6．3 发泡法

1．6．5 机械搅拌法

1．6．6 凝胶注模法

1．6．7 搅拌发泡-凝胶注模法

1．7 研究内容、研究目标和研究意义

1．7．1 研究内容

1．7．2 研究目标

1．7．3 研究意义

2 铁尾矿多孔陶瓷制备方法及实验过程

2．1 实验用原料

2．2 实验用设备

2．3 原料分析

2．3．1 铁尾矿颗粒直径分析

2．3．2 铁尾矿成分分析

2．4 工艺路线

2．4．1 铁尾矿多孔陶瓷的成形

2．4．2 铁尾矿多孔陶瓷的干燥、烧结

2．5 性能测试与表征

2．5．1 线收缩率测试

2．5．2 显气孔率、吸水率及体积密度测试

2．5．3 抗压强度测试

2．5．4 孔径分布测试

2．5．5 抗热震性能测试

2．5．6 耐酸碱腐蚀性能测试

2．5．7 除尘效果测试

2．5．8 微观形貌表征

3 固相含量对铁尾矿多孔陶瓷结构及性能的影响

3．1 引言

3．2 实验过程

3．3 结果与分析

3．3．1 线收缩率

3．3．2 体积密度和显气孔率

3．3．3 吸水率和抗压强度

3．4 显微结构分析

3．5 本章小结

4 烧结温度对铁尾矿多孔陶瓷结构及性能的影响

4．1 引言

4．2 实验过程

4．3 结果与分析

4．3．1 线收缩率

4．3．2 吸水率

4．3．3 体积密度和显气孔率

4．3．4 抗压强度

4．4 显微结构分析

4．5 烧结温度对多孔陶瓷物相组成的影响

4．6 烧结温度对多孔陶瓷孔径分布的影响

4．7 本章小结

5 保温时间对铁尾矿多孔陶瓷结构及性能的影响

5．1 引言

5．2 实验过程

5．3 结果与分析

5．3．1 线收缩率

5．3．2 体积密度和吸水率

5．3．3 显气孔率

5．3．4 抗压强度

5．4 多孔陶瓷气孔率与抗压强度之间的关系

5．5 保温时间对多孔陶瓷微观形貌的影响

5．6 保温时间对多孔陶瓷物相组成的影响

5．7 保温时间对多孔陶瓷孔径分布的影响

5．8 本章小结

6．1 引言

6．2 耐酸碱腐蚀性的测试

6．3 抗热震性能测试

6．4 粉尘过滤效果测试

6．5 本章小结

7 结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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