本發(fā)明涉及一種莫來石多孔陶瓷及其生產(chǎn)方法，特別是關(guān)于一種利用固體廢棄物粉煤灰作為主要原料，結(jié)合特定的燒結(jié)調(diào)控技術(shù)制備莫來石多孔陶瓷的方法。

背景技術(shù)：

1、隨著工業(yè)化進程的加速，電力工業(yè)特別是燃煤電廠的快速發(fā)展導(dǎo)致了大量粉煤灰的產(chǎn)生。粉煤灰作為燃煤過程中產(chǎn)生的一種固體廢棄物，其年排放量已達到數(shù)億噸級別。如果這些粉煤灰得不到有效的處理和利用，將會對環(huán)境造成嚴重的污染，破壞生態(tài)平衡，同時也對人類健康構(gòu)成潛在威脅。因此，如何將這些廢棄的粉煤灰“變廢為寶”，實現(xiàn)其資源化利用，成為了解決環(huán)境問題的一個重要課題。

2、粉煤灰主要由莫來石和二氧化硅等礦物組成，這為其在合成多孔莫來石陶瓷方面提供了可能。多孔莫來石陶瓷因其優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，如高溫穩(wěn)定性、耐腐蝕性和良好的機械強度等，在過濾、催化、熱交換等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。近年來，許多研究者已經(jīng)開始探索使用粉煤灰作為原料合成莫來石多孔陶瓷的方法，以期實現(xiàn)粉煤灰的高值化利用。

3、高云峰等(非金屬礦，2023)以粉煤灰、鋁礬土為主要原料，以淀粉(引入量為20％)作為造孔劑，來進行莫來石多孔陶瓷，所得莫來石陶瓷氣孔率為50％左右。吳立凡(非金屬礦，2020)等以粉煤灰、氧化鋁為原料，以碳粉(引入量為30％)為造孔劑，來進行莫來石多孔陶瓷的制備，所得莫來石多孔陶瓷的氣孔率為45.42％。以上研究雖然制備得到了具有較高氣孔率的莫來石多孔陶瓷，但是造孔劑與原料粉體密度存在較大差異，易于導(dǎo)致造孔劑的分布不均而得孔徑分布離散性較大；同時引入過多的造孔劑在后續(xù)燒結(jié)過程中也伴隨著較大的燒結(jié)收縮。較大的燒結(jié)收縮可能會使樣品發(fā)生變形和開裂，同時也會使得產(chǎn)品后續(xù)加工成本增加。如何利用粉煤灰實現(xiàn)莫來石多孔陶瓷的近凈尺寸燒結(jié)制備在實際生產(chǎn)中具有重要意義。

4、眾所周知，莫來石在生成過程中會伴隨著7-8％的體積膨脹。有研究表明(wangfeng,ceramics?international,2015)，利用燒結(jié)過程中的生成物相所伴隨的體積膨脹可以對多孔陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)及燒結(jié)收縮進行有效調(diào)控。雖然在粉煤灰中引入礬土、氧化鋁在燒結(jié)過程中也會伴有體積膨脹，但該體積膨脹有限。這是由于一方面粉煤灰中含有大量的莫來石相，對燒結(jié)過程中的體積膨脹無貢獻，另一方面是粉煤灰中含有其它雜質(zhì)在燒結(jié)時易于產(chǎn)生液相而發(fā)生液相燒結(jié)，因此導(dǎo)致其在燒結(jié)過程中仍具有較大的收縮率(大于3％)。顏浩等(硅酸鹽學(xué)報，2022)以天然礦物藍晶石和氧化鋁粉體為原料，采用結(jié)合凝膠注模工藝與造孔劑法，通過調(diào)控漿料的固相含量同時結(jié)合莫來石生成過程中的所伴隨的體積膨脹與燒結(jié)收縮相抵消實現(xiàn)了莫來石多孔陶瓷的近凈尺寸制備。但該制備方法影響因素較多，工藝較為復(fù)雜。

5、因此，存在一種迫切的需求，即開發(fā)一種簡單可行的工藝方法，以實現(xiàn)粉煤灰資源化利用，制備出燒結(jié)收縮率低、孔徑分布均勻的莫來石多孔陶瓷，同時克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足和缺陷。這不僅能夠有效利用廢棄的粉煤灰，減少環(huán)境污染，還能提供一種新的材料資源，具有重要的經(jīng)濟價值和環(huán)境意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種莫來石多孔陶瓷及其制備方法。該方法以粉煤灰作為硅源，含鋁化合物(如煅燒礬土、氧化鋁等)作為鋁源，紅柱石作為燒結(jié)調(diào)控劑，同時引入高嶺土與含鈦化合物作為添加劑，通過特定的制備工藝，實現(xiàn)莫來石多孔陶瓷的近凈尺寸制備。該方法不僅簡化了生產(chǎn)流程，而且能夠有效控制莫來石多孔陶瓷的燒結(jié)收縮率、孔徑分布以及機械強度等關(guān)鍵性能參數(shù)。

2、具體而言，本發(fā)明的制備方法包括以下步驟：首先，將粉煤灰、含鋁化合物和紅柱石按照莫來石理論化學(xué)組成進行配料，其中氧化鋁質(zhì)量分數(shù)為71％～76％，氧化硅質(zhì)量分數(shù)為29％～24％。接著，添加適量的高嶺土和含鈦化合物作為添加劑，通過濕法球磨、抽濾干燥、造粒過篩、壓制成型和分段燒結(jié)等工藝步驟，制備出莫來石多孔陶瓷。

3、本發(fā)明的莫來石多孔陶瓷具有以下特征參數(shù)：燒結(jié)收縮率≤1％，開口氣孔率≥40％，孔徑分布呈單峰分布，抗彎強度>50mpa，同時具有良好的氣體通量。這些參數(shù)的實現(xiàn)得益于本發(fā)明方法中對原料的精確配比、燒結(jié)調(diào)控劑的引入以及燒結(jié)工藝的優(yōu)化。

4、在本發(fā)明中，紅柱石的引入起到了關(guān)鍵作用。紅柱石在高溫下與粉煤灰中的硅源和鋁源反應(yīng)，生成莫來石相，這一過程伴隨著體積膨脹，有效抵消了燒結(jié)過程中的收縮，從而實現(xiàn)了莫來石多孔陶瓷的近凈尺寸制備。此外，通過控制原料的粒徑和成型壓力，以及優(yōu)化燒結(jié)制度，可以進一步調(diào)控莫來石多孔陶瓷的孔徑分布和機械強度，滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。

5、本發(fā)明的另一個特點是利用粉煤灰作為主要原料，這不僅實現(xiàn)了固體廢棄物的資源化利用，減少了環(huán)境污染，而且降低了原材料成本，具有顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。同時，通過引入高嶺土和含鈦化合物作為添加劑，可以在燒結(jié)初期促進原料間的頸部生長，形成穩(wěn)定的多孔結(jié)構(gòu)，進一步提高了莫來石多孔陶瓷的性能。

6、具體而言，本技術(shù)采用了以下技術(shù)方案：

7、一種莫來石多孔陶瓷的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

8、a)以粉煤灰作為硅源，以含鋁化合物作為鋁源，以紅柱石作為燒結(jié)調(diào)控劑，按照莫來石理論化學(xué)組成進行配料，同時引入適量的高嶺土與含鈦化合物作為添加劑；

9、所述莫來石理論化學(xué)組成配料，是指混合物料中氧化鋁質(zhì)量：二氧化硅質(zhì)量比介于71％：29％～76％：24％之間；

10、b)將稱好的原料進行濕法球磨，混合均勻后把漿料快速倒入抽濾裝置中將粉體與球磨用液體介質(zhì)進行分離，再進行干燥處理；

11、c)將干燥后的粉體加入粘結(jié)劑進行造粒、過篩得到混合造粒粉；

12、d)將造粒粉置于模具中，對粉體進行干壓或者冷等靜壓成型后得到生坯，然后將生坯作烘干處理；

13、e)將烘干后的生坯置于燒結(jié)爐中，按照分段燒結(jié)制度進行燒結(jié)，得到莫來石多孔陶瓷。

14、可選的更優(yōu)技術(shù)方案：步驟a)中，所述原料中粉煤灰、紅柱石及含鋁化合物粉體粒徑均在1～10μm之間。

15、可選的更優(yōu)技術(shù)方案：步驟a)中，所述含鋁化合物可選自煅燒礬土粉、氧化鋁粉，且其氧化鋁含量不低于70％；

16、可選的更優(yōu)技術(shù)方案：含鈦化合物可選自二氧化鈦、四氯化鈦。

17、可選的更優(yōu)技術(shù)方案：粉煤灰與紅柱石粉二者質(zhì)量比在2：1～4：1之間，高嶺土引入量在0.3～0.8％之間，含鈦化合物引入量為0.5～1％之間，其中含鈦化合物以氧化鈦質(zhì)量計。

18、可選的更優(yōu)技術(shù)方案：步驟b)中，所述原料球磨混合時間為1～6小時，球磨轉(zhuǎn)速80～200轉(zhuǎn)/分鐘。

19、可選的更優(yōu)技術(shù)方案：步驟c)中，所用粘結(jié)劑為聚乙烯醇(pva)、聚乙烯醇縮丁醛(pvb)或羧甲基纖維素鈉(cmc)中的一種。

20、可選的更優(yōu)技術(shù)方案：步驟d)中，所用壓制成型工藝可以為干壓或冷等靜壓；壓制成型的條件為：壓力為40～150mpa，保壓時間1～4分鐘。

21、可選的更優(yōu)技術(shù)方案：步驟e)所述分段燒結(jié)包括第一階段、第二階段和第三階段：

22、第一階段為脫脂階段：溫度450～600℃，升溫速率為0.5～3℃/min，保溫時間1～4小時；

23、第二階段為主燒結(jié)階段：溫度1300～1500℃，升溫速率為2～5℃/min，保溫時間2～6小時；

24、第三階段為溫控降溫階段：燒結(jié)溫度降至800±10℃，降溫速率為2～6℃/min。

25、可選的更優(yōu)技術(shù)方案：步驟e)中，第一段燒結(jié)特征在于粘結(jié)劑的排除，第二階段燒結(jié)特征在于原料間相互反應(yīng)生成莫來石，同時形成貫通的多孔結(jié)構(gòu)。

26、本技術(shù)還提供了一種采用上述方法得到的莫來石多孔陶瓷。

27、作為更優(yōu)技術(shù)方案，該莫來石多孔陶瓷具有燒結(jié)收縮率≤1％，開口氣孔率≥40％，孔徑分布呈單峰分布，抗彎強度>50mpa，同時具有良好氣體通量的特性。

28、可選的更優(yōu)技術(shù)方案：所述莫來石多孔陶瓷的平均孔徑范圍為1～10μm。

29、可選的更優(yōu)技術(shù)方案：所述莫來石多孔陶瓷的三點抗彎強度范圍為>60mpa

30、可選的最優(yōu)技術(shù)方案：所述莫來石多孔陶瓷的三點抗彎強度范圍為60mpa至100mpa。

31、可選的更優(yōu)技術(shù)方案：所述莫來石多孔陶瓷的氣體通量范圍為1000m3·m-2·h-1至m3·m-2·h-1。

32、前以述及，粉煤灰與礬土、氧化鋁燒結(jié)時存在較大的收縮率，其原因在于燒結(jié)過程中發(fā)生液相燒結(jié)導(dǎo)致的。引入紅柱石后，在燒結(jié)過程中會原位反應(yīng)生成莫來石，同時伴隨著一定的體積膨脹。體積膨脹會與后續(xù)的燒結(jié)收縮相互抵消，來使得所得莫來石多孔陶瓷的燒結(jié)收縮得到有效抑制，同時結(jié)合原料顆粒尺寸的搭配以及成型壓力的調(diào)控可以實現(xiàn)莫來石多孔陶瓷的近凈尺寸燒結(jié)成型。引入少量的高嶺土與二氧化鈦作用主要是在起始燒結(jié)階段促進原料大顆粒間的頸部燒結(jié)，在坯體內(nèi)形成貫通一次氣孔通道。

33、上述技術(shù)條件的達成關(guān)鍵在于粉煤灰與紅柱石的比例、原料粒徑、成型壓力以及燒結(jié)制度的調(diào)控，使后續(xù)燒結(jié)過程中莫來石生成所伴隨的體積膨脹與燒結(jié)收縮進行相互抵消。

34、綜上所述，本發(fā)明提供的莫來石多孔陶瓷及其制備方法，通過精確的原料配比、燒結(jié)調(diào)控以及工藝優(yōu)化，成功制備出具有低燒結(jié)收縮率、高開口氣孔率、均勻孔徑分布以及優(yōu)異機械強度的莫來石多孔陶瓷。

35、這種莫來石多孔陶瓷不僅能夠有效利用廢棄的粉煤灰，減輕環(huán)境壓力，而且因其優(yōu)異的性能，可廣泛應(yīng)用于過濾、催化、熱交換、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護等領(lǐng)域，具有重要的實用價值和廣闊的市場前景。