催化劑膠渣制備多孔陶瓷的研究與實踐

周碧

（江西省工業陶瓷質量監督檢驗站， 萍鄉337000）

1 引言

多孔陶瓷形成微孔結構方法較多，催化劑膠渣制備工藝是利用凝膠化過程中膠體料子的堆積以及凝膠經過熱等處理過程而形成多孔結構。但因常規制備工藝中，對外部環境的要求比較嚴格，如溶膠制備、干燥、燒成等，所以制備滿足要求的無裂紋的溶膠- 凝膠工藝還需大量的研究。因而對多孔性陶瓷材料的制備及其性能要求較高，但常規造孔劑制備多孔陶瓷操作具有工藝相對簡單，成本低的特點，但受常規造孔劑顆粒過大，難以在陶瓷基體中分散均勻，導致利用其制備獲得的多孔陶瓷孔隙分布均勻性差、尺寸較大，導致多孔陶瓷強度、隔音以及隔熱等多方面的性能指標產生較明顯的下降。為解決該技術缺陷，通過在實踐中實現以催化劑膠渣制備多孔陶瓷的方法，具體如下：

2 制備原料

多孔陶瓷催化劑載體材料的制備原料為，以高嶺土、滑石粉和氧化鋁粉為基體原料(高嶺土、滑石粉和氧化鋁粉的質量百分比之和為100%)。用凝膠注模法在模具中制備陶瓷坯體，無壓燒結法制備出堇青石多孔陶瓷。主要原料以鋼玉砂、碳化硅、堇青石等為主料，經過成型和特殊高溫燒結工藝制備；成品具有開孔徑、高開口氣孔率的一種多孔陶瓷材料，兼具耐高溫、高壓、抗酸堿和有機介質腐蝕，良好的生物惰性、可控孔結構及高開口孔隙率、使用壽命長、產品再生性能好等效果。

3 制備流程

首先，容器中加入54%高嶺土，19%滑石粉，53%氧化鋁粉；再加入基體原料質量的12%的單體，4.1%的交聯劑以及基體原料的0.9 倍質量的蒸餾水后，球磨22h，得到均勻的漿料；

再者，結合上述所制得的漿料倒入容器中，加入基體原料質量0.2%的引發劑，攪拌震蕩使其和漿料混合均勻；然混合均勻的漿料倒入到模具中去，加入基體原料質量0.5%的催化劑，震蕩25min；漿料凝結固化，形成塊體；

第三，所制得的固化塊體放入保溫箱，在70～150℃下干燥2～36h，得到生坯；最后，將所制得的生坯在1250～1400℃下進行燒結，燒結過程中，單體、交聯劑燒結排出留下孔隙形成多孔結構；燒結后得到多孔堇青石塊體。

4 制備效果

制備有機物單體為能夠發生聚合或縮聚反應的有機物小分子；交聯劑為含有能夠與單體發生聚合反應的官能團，的官能團包括氨基。模具可根據多孔陶瓷催化劑載體材料所需形狀加以設計，以得到和最終產品形狀結構相近的載體材料。獲得多孔堇青石塊體平均孔隙率達到58%，熱膨脹系數可達0.8×10-6～1.7×10-6/℃，機械強度可達5～75MPa。

制備了一種具有共連續結構的階層多孔堇青石塊體材料，并且可以方便有效地控制孔徑尺寸、孔容及孔隙率。由于其獨特的階層多孔結構，制備的多孔堇青石塊體有望在顆粒過濾器、催化劑載體等領域展現重要的應用前景。在溶膠- 凝膠原理與相分離理論基礎上，以濕化學高純制備實現了對多孔結構的有效控制，且兼具設備低廉，工藝簡單等優點。

采用本方法制備而得的多孔堇青石塊體，孔隙數量和孔徑尺寸可控，骨架連續，孔隙率高(大孔孔徑分布在3～5 微米，孔隙率為50%～60%)等特點。利用廉價的原材料，無需二次燒結，便可制備多孔、熱膨脹系數低、強度高的催化劑載體材料。同時具有工藝簡單，操作易于控制的效果。

5 實施方法

通過一種多孔陶瓷載體材料的制備方法，以高嶺土、滑石粉和氧化鋁為基體原料，在室溫下，將六水氯化鎂、六水氯化鋁和聚丙烯酰胺溶解在溶劑中，然后滴加正硅酸甲酯；于50～70℃繼續攪拌反應50～70min；將上述步驟所得的透明澄清溶液自然冷卻至室溫，然后加入環氧丙烷均勻攪拌；將所得的均質溶液置入容器中密封后于35～45℃凝膠3～5min；將上述步驟所得的濕凝膠置于35～45℃下老化60～80h；將上述步驟所得的老化后的凝膠置于50～70℃常壓干燥72～96h；然后于900～1300℃熱處理4～6h。具體工藝流程如圖1 所示：

圖1 催化劑膠渣制備多孔陶瓷工藝流程

細化來講，配料的球磨上：按照質量百分比在球磨罐中加入42.3%的高嶺土、44%的滑石粉、13.7%的氧化鋁粉，再加入基體原料質量8%的有機單體丙烯酰胺，基基體原料質量0.8%的交聯劑N，N- 亞甲基雙丙烯酰胺以及基體原料質量0.7 倍的蒸餾水，然后開始球磨，球磨8h，得到混合均勻的漿料。漿料固化上，將所制得的漿料倒入容器內加入基體料質量0.15%的引發劑，攪拌振蕩均勻后，然后加入基體原料0.03%的催化劑，快速攪拌，之后倒入模具中，快速振蕩，使漿料均勻填充到模板中，漿料形成凝膠塊體。將制得的塊體放入干燥箱中于90℃放置12h，得到干燥的塊體。燒結上，將所獲得的塊體送到高溫燒結爐中進行燒結，燒結溫度為1350℃，保溫2h，總的燒結時間為13h。最終得到多孔堇青石。經檢測所得的堇青石孔隙率為53.3%，熱膨脹系數為1.66×10-6/℃，抗壓強度為40.8MPa。

6 制備實踐

鋼玉砂、碳化硅、堇青石是此次制備工藝中的主原料，具有膨脹材料低，熱膨脹系數高、化學穩定性強、強度高的特點。在催化劑載體材料的應用上，更能滿足生產需求。采用將烷氧基硅烷的水解- 聚合過程與由環氧化物調控的金屬無機鹽溶膠- 凝膠反應相結合的方法，制備了具有共連續通孔和骨架結構的多孔堇青石塊體，并可通過調整加入的聚丙烯酰胺量及熱處理溫度獲得所需的孔徑尺寸、孔容及孔隙率等。其中實施效果如表1 所示：

表1 實施效果

7 經驗借鑒

通過對原料成分及燒結過程中發生的物理化學變化進行研究和試驗，確定燒成制度等工藝參數，并進一步研究了成型壓力、硅質材料粒度和膠渣與硅質材料配比對多孔陶瓷的制備工藝確定，原材料性能提升等的作用效果突出。同時催化劑膠渣與硅質原料在合適的制備工藝下，制備出的陶瓷滿足多孔陶瓷的性能要求。當硅質材料粒徑為100 目以下，燒結溫度為1150℃，保溫時間90min，成型壓力為10MPa，膠渣：硅質材料=1：3，所制備的多孔陶瓷抗壓強度為15.44MPa，顯孔隙率為44.33%[1]。通過在粉煤灰中添加適量的氧化鋁粉，可以有效的調控樣品的孔隙結構和機械力學性能。隨著粉體原料中氧化鋁含量的增加，孔隙逐漸由無序少孔變為有序多孔的蜂窩狀結構。當粉體原料中加入50wt%氧化鋁時，其開孔隙率可以達到73%，密度僅為0.85g/cm3，同時還具有80.93MPa 的抗壓強度，具有優異的輕質高強的特性。采用溶膠- 凝膠法制取TiO2溶膠液，通過浸泡吸附的方式將TiO2光催化劑負載于粉煤灰多孔陶瓷中，并對其光催化性能及水下對油的接觸角進行測試和分析。通過多孔陶瓷制備及功能化研究，成功實現了低端工業廢料的高端回收技術開發，提高了粉煤灰制品的附加值，在建筑、家裝、自清潔材料、環保等應用領域得到了廣泛的應用[2]。成孔質量控制上，通過調控固相含量、海藻酸鈉含量、氯化鈣濃度、燒結溫度等參數改變直通孔陶瓷的微觀形貌，并在氧化鋁陶瓷表面負載碘氧化鉍，獲得適用于強對流沖擊、高流速等復雜環境的污水處理的光催化劑，同時解決了現有碘氧化鉍催化劑不易回收的問題[3]。一種利用催化劑廠膠渣制作加氣混凝土砌塊的系統，包括順次設置的膠渣儲罐、濕式球磨機、初漿配制罐、成漿配制罐、澆筑裝置、坯體切割裝置和蒸養釜，膠渣儲罐、濕式球磨機、初漿配制罐、成漿配制罐和澆筑裝置之間通過輸送管路連接，初漿配制罐連接進料管，各輸送管路和進料管上均安裝控制閥，成漿配制罐上具有進料口，澆筑裝置、坯體切割裝置、蒸養釜兩兩之間設置輸送帶。對催化劑廠膠渣進行再利用，既環保，又節省了加氣混凝土砌塊的生產成本，便于大規模推廣應用[4]。

8 總結和展望

通過上述制備工藝的催化劑以陶瓷蜂窩載體為骨架，陶瓷蜂窩的氣阻小，強度高，會使排氣氣流與涂層表面接觸時間延長；在載體表面涂覆的涂層中含有pd、pt中一種或兩種，其負載在高比表面積的氧化鋁上，在催化劑制備過程中使用了稀土硝酸鹽和/或有機酸作為貴金屬活性組分的分散劑，極大的提高了催化劑的穩定性，延長了催化劑的壽命。在催化燃燒方法凈化工業廢氣的技術領域。其由陶瓷蜂窩為骨架狀，以氧化鋁、氧化鈰、鈰鋯共熔體的混合物等中一種或幾種氧化物作為涂層；以不同活性組分。制備后，具有利用氣阻小，排氣氣流延長與涂層表面接觸時間的陶瓷蜂窩載體為骨架增加轉化率，有效降低催化劑成本，同時提高催化劑的穩定性，降低了催化劑的更換頻率與使用成本的效果。未來在高端微孔陶瓷真空吸盤、porous ceramics、Ceramic chuck，吸附硅片、晶圓、陶瓷片、柔性屏、玻璃屏、電路板以及各類非金屬材料中的應用前景廣闊。