多孔陶瓷工艺设计

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1、多孔陶瓷工艺设计1引言试验设计就是在试验域内故有效地选择试验点,通过试验得到响应的观测值，然后进行数据分析求得达到最优响应值的试验条件。均匀设计法是方开泰教授和王元教授于70年代末提岀的一种试验设计法，该法已在中药、饮料、纺织、冶金、航空等多个领域获得广泛应用，均取得显著的效果，产生了巨大的经济和社会效应。污泥是城市及工业污水厂生产中产生的固体废弄物，冃前我国的处理这些固体废弃物的方式主要以填埋、焚烧、堆肥为主，这些处理方式存在着一系列问题。因此开辟一条新的污泥资源化利用途径显得尤为重要。用城市废弃污泥和工业废料制备多孔陶瓷，是对废弃污泥综合利用的一种重要途径，且制备的多孔陶瓷市于具有比

2、较大的吸水率和孔隙率，也可以作为水处理的滤料和生物膜填料，实现以废治废的目的。作为水处理用的生物挂膜多孔陶瓷滤料应具有较大的机械强度、较大的比表面积、较高空隙率、微生物生长好、价格低廉的特点,但目前还无统一的指标要求。用均匀设计实验法对其工艺条件进行优化就是实验加大污泥量和简化工艺。2实验2.1材料和仪器选取景德镇市城市污水处理厂的污泥、昌河飞机工业公司的汽车涂装废水处理厂的絮凝污泥为主要原料,以石英砂、煤炭为造孔剂，它们的化学成分如表1所示。materalsSi02A1203CaOMgOFe203lossSewagesludge24.439.032.60.984.3251.82Quar

3、tz99.210.46——0.160.23Flocculationsludge5.892.3841.820.861.7437.29表1主要原料化学成分Tab.1Chemicalcompositionofmainrawmaterial/%从表1屮可以看出，两种污泥+SiO2和A1203含量较低，烧失量比较大，絮凝污泥中含CaO含量较高。2.2实验过程多孔陶瓷的制备过程包括烘干、粉碎、混合、球磨、造粒、干燥、烧成、冷却等几个阶段.2.3分析仪器和方法采用荷兰产的PANalytical型AxiosX射线荧光光谱仪对污泥的化学组成进行分析，用中国科学院仪器中心生产的KYKY-1000B型扫描电镜

4、观察样品的截面的形貌特征，用静力称重法测定样品吸水率、气孔率及体积密度，抗压强度采用宁夏机械研究所TZS-4000弯曲强度试验机进行测定，耐酸、碱性的测定分别在98%的硫酸溶液中浸泡24h和20%的氢氧化钠溶液中浸泡24h后的重量与原重量的百分数表示。3结果与讨论3.1城市污泥与石英的比例为了初步研究原料配方与造孔剂等不容易用均匀设计方法进行实验的因素，采用单因素实验进行研究。石英作为瘠性原料加入到陶瓷坯料中的，它是陶瓷坯料中的主要组份之一。在烧成前石英是瘠性原料，可对泥料的可塑性起调节作用，能降低坯体的干燥收缩率，缩短干燥时间并防止坯体变形。在烧成时，右英的加热膨胀可以部分地抵消坏体收

5、缩的影响。在城市污泥屮加入石英可以更好地促进多孔陶瓷成球，从成球效果和经济效果考虑，城市污泥与石英的比例以1:2为益，烧成温度为1230〜1250°Co2.2造孔剂粒度的影响制备多孔陶瓷的方法较多，如可燃物烧失法、发泡造孔法、骨料堆积法、冷冻-干燥法、前驱体法、溶胶-凝胶法等。木实验采用的是添加造孔剂可燃物烧失法。造孔剂粒度影响到多孔陶瓷的孔隙率，孔径大小和孔道的分布，所以合适的粒度可以让多孔陶瓷的性能达到最佳。造孔剂的粒度主要依靠不同孔径的筛子筛分获得.在同一温度下，造孔剂粒度越小，吸水率、显气孔率越小，体积密度越大。在烧成温度升高吋，多孔陶瓷吸水率、显气孔率变小，体积密度变大，但造孔

6、剂粒度v0・1mm的多孔陶瓷性能变化比较大。所以造孔剂的粒度选择0.1~0.9mm为最佳。2.3均匀设计优化均匀设计法是一种将数论与多元统计相结合的试验设计方法，该法将试验点均匀地散布在其试验范围内，以较少的试验点获得尽可能充分的试验信息。一般每个因索的每个水平做一次且仅做一次试验就基本满600减池1300水平000100采，XI1足试验丰求“因孤辟试验次数”,代表性强等优点，既人人乍量，还容易找出最佳试脸条件。本试验为4因素7验的工彳要求，选用U7*(根据要求安排,次试验即可满X2为絮矯劈74)里，aj力咏姒里;X4UJSOtVX3O2»(°)为转化时间；yl为吸水率，y2为显气孔率，

7、y3为体积密度。X2正相关,X1X2、X3X4、X1X4负向相关。X3X4、X1X2负相关,X1X4负相关。综上所述，在XI、X2取最大值，X3、X4取最小的情况下方程能得到最优值。且yl>50%,y2>50%,1.3>y3>1.0时多孔陶瓷的综合性能达到最佳。通过以上分析，再进行计算和转换得到的最佳结果组成是：XI二30,X2=15,X3=15,X4=150时样品性能为yl二57.2%,y2=60.89%,y3二1.065g/cm