造孔剂对利用电解锰渣制备多孔陶瓷影响的研究

成 昊，叶 芬，韦 虹，石 维，吴思展

(铜仁学院 材料与化学工程学院，贵州 铜仁 554300)

电解锰渣是生产电解锰后所产生的过滤酸渣，是电解锰行业的主要污染物。金属锰是冶金、化工、新能源、航空等领域的重要原料，2006年年产量达100万t[1]，2012年年产量达116万t[2]，2016年年产量维持在115万t左右。早期电解锰企业采用高品位的锰矿石生产电解锰，每生产1t电解锰产生6～7t电解锰渣，现主流的碳酸锰矿的品位下降至13%，每生产1t电解锰产生10～15t电解锰渣，目前我国露天电解锰渣堆存量超过5000万t[3]。大量电解锰渣的堆放不仅浪费国土资源，其渗滤液会污染当地的水资源[4]，其危害是巨大的。

多孔陶瓷由于含有大量的气孔，且具有耐酸碱腐蚀、耐高温、抗氧化、抗紫外线等多种优点可以被应用在很多领域，本文根据陶瓷形成多孔的机理不同选择了高温造孔剂和低温造孔剂来制备电解锰渣多孔陶瓷[5]，为电解锰渣的资源化利用提供新的途径。

1 材料与方法

1.1 试验原料及配方

试验所用的电解锰渣来自贵州铜仁某电解锰厂，其化学组成如表1所示。选用的低温造孔剂为日常取暖用的块状木炭，选用的高温造孔剂为的SiC，试验的配方如表2所示。

表1 电解锰渣和页岩的化学成分 %

表2 实验配方 %

1.2 制备工艺

样品成型之前需要对木炭进行预处理，将木炭进行球磨过80目筛备用。样品采用半干压成型，成型压力为5 kN，样品按照表2称量通过快速球磨机混合15 min 后，经过喷雾造粒→陈腐24 h →装入直径为30 mm的磨具、成型→干燥→烧成→性能表征。最高烧成温度分别为1130 ，1150 ，1170，1190 ℃，在最高温度处保温50 min。

2 实验结果与讨论

2.1 烧成温度对样品厚度和直径的影响

样品厚度的变化率与温度的关系曲线如图1和图2所示，样品厚度变化率的计算如公式(1)所示，样品直径变化率的计算如公式(2)所示。从图1中可以看到，Y0、Y1、Y2、Y3的厚度随着温度的升高逐渐降低，这是因为样品随着温度的升高样品的颗粒间间距减小，所以样品的尺寸逐渐减小，它们的变化率逐渐升高。其中Y4的厚度变化率先升高后降低，甚至出现负值，这是因为Y4添加了较多的高温发泡剂，SiC在较高温度下分解产生气体，在样品中留下孔洞，使样品尺寸变大[6]。

图1 样品厚度变化率曲线图

图2 样品直径变化率曲线图

图3 1190℃烧制的样品图片

从图2中可以看到，样品的直径变化率均出现随着温度的升高而增加，在1190℃处均出现负值，说明样品的直径明显增大，见图3。样品在1170℃之前没有产生大量的液相，当温度超过1170℃出现了较多的液相，SiC分解产生气体，在样品中留下气孔，使样品尺寸增加。样品在1190℃热处理后，厚度降低直径明显增加，这是因为电解锰渣含有较多的熔剂成分，使高温液相流动性较好，说明电解锰渣高温液相的粘度较低。另外，以木炭为造孔剂的样品Y1和Y2的尺寸变化比以SiC为造孔剂样品的变化小。这是因为，随着温度的升高木炭被碳化留下的孔洞被液相填充，随着温度升高剩余的孔洞里的空气膨胀形成气孔使样品的尺寸增大。以上结果显示，以电解锰渣作为原来制备多孔陶瓷，SiC的造孔性能优于木炭。

(1)

式中：T——样品厚度变化率，%；

T1——样品干燥后的厚度尺寸，cm；

T2——样品热处理后的厚度尺寸，cm。

(2)

式中：D——样品厚度变化率，%；

D1——样品干燥后的厚度尺寸，cm；

D2——样品热处理后的厚度尺寸，cm。

2.2 样品的强度测试

选择Y3和Y4配方，采用平铺法，1170 ℃烧制的样品如图4所示。采用深圳万测生产的型号为ETM105D万能材料试验机，对样品进行了抗压测试。试验结果如表3所示，Y3抗压强度为6.55 MPa优于Y4样品，这是因为Y4样品SiC含量较多，断面出现尺寸较大的孔洞，Y3样品孔洞较小所以结构相对致密，有利于强度的提高。

图4 1170℃烧制的样品图片

图5 1170℃烧制的样品断面图片

样品编号温度/℃抗压强度/MPaY311706.55Y44.52

3 结论

(1)电解锰渣可以用来制备多孔的陶瓷，高温造孔剂SiC比低温造孔剂木炭容易使样品的尺寸增大，产生大量的孔洞。

(2)以SiC为造孔剂在1170℃热处理的Y3样品的抗压强度为6.55MPa，样品的抗压强度与SiC的掺入量有关。