泡沫陶瓷在环境污染中的应用

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1、.泡沫瓷在环境污染治理中的应用摘要：本文介绍了泡沫瓷的概念、制备方法优点、性能以及目前国外的研究开展状况，重点讲述了泡沫瓷过滤器的机理以及在反水处理、反气处理、吸声降噪领域的应用，并对泡沫瓷在环晚中的应用前景和开展趋势作了预刚。关键词：泡沫瓷过滤器，泡沫瓷；水处理，废气处理，吸声降噪1、前言 泡沫瓷是一种气孔率高达70%90%,体积密度只有0。30。6 GP,具有三维立体网络骨架和相互贯穿气孔构造的多孔瓷制品。它除了具有耐高温、耐腐蚀等一般瓷所具有的性能外,且具有密度小、气孔率高、比外表积大,对流体自扰性强等特点。泡沫瓷是一种造型上像泡沫的多孔瓷，它是继普通多孔瓷、蜂窝多孔瓷之后，近年来开展起

2、来的第三代多孔瓷产品。这种高技术瓷具有三维连通孔道，同时对其形状、孔尺寸、渗透性、外表积及化学性能均可进展适度调整变化。2、 泡沫瓷的性能2.1气孔率 泡沫瓷的气孔率为70%90%,对多孔瓷来说,这是最高的。蜂窝瓷的气孔率约为60%,瓷颗粒烧结体的气孔率约为30%50%。2.2抗弯强度 泡沫瓷的强度主要依赖于瓷材质和网络骨架的粗细。骨架的粗细可以用泡沫瓷的体积密度来表示。表1列出了不同瓷材质与不同体积密度的抗弯强度。2.3抗热震性 泡沫瓷作为熔融金属的过滤材料,因为其使用于温度急变的场合,必须具有良好的抗热震稳定性,现将工业瓷研究研制的泡沫瓷制品的性能示于表2。3、泡沫瓷的制备工艺 泡沫瓷的制

3、备工艺很多，应用比拟成功且开发年代较早的有:添加造孔剂工艺、发泡工艺、有机前驱体浸渍工艺、。SOI-Gel工艺、固态颗粒烧结工艺等。1添加造孔剂工艺 此工艺是通过在瓷配料添加造孔剂，利用造孔剂在坯体占据一定的空间，然后经过烧结，造孔剂离开基体而形成气孔来制备泡沫瓷叶。造孔剂颗粒的形状和大小决定了泡沫瓷材料气孔的形状和大小。其成形方法_1几要有模压、挤压、等静压、注射和粉料浇注等。该工艺可制成形状复杂及各种气孔构造的泡沫瓷制品，但缺点是气孔尺寸分布的可控性差、气孔率低。2有机前驱体浸渍工艺 目前泡沫瓷最理想的制备方法是有机前驱体浸渍法，用此种成形方法制备的泡沫瓷己在多个领域获得大量应用。该方法通

4、过控制浆料性能，优化无机粘结剂体系，严格控制浆料浸渍工艺过程，可以制备高性能的泡沫瓷制品。但是有机前驱体浸渍法工艺存在一个明显的缺陷，即制品的孔隙构造尤其是孔径取决于所选有机泡沫体的孔隙构造和孔径大小。而目前所供选用的有机泡沫体的网眼尺寸是有限的，这在一定程度上制约了所得泡沫瓷材料的孔径和构造圈。该工艺能制备出高强度、高气孔率的制品，但不能制造小孔径闭气孔制品，而且形状受限制，密度不易控制。为保证制品质量，选用泡沫的的气化温度要低于瓷体的烧结温度，而且不会污染瓷体。泡沫要有一定的亲水性和足够的回弹性，能与瓷浆料严密结合，能保证多余的浆料挤出后还能恢复原来的形状刚。3发泡工艺 该工艺是在瓷组分中

5、参加有机或无机化学物质，通过化学反响等产生抨发气体，枯燥后烧制成多孔瓷体。用作发泡的化学物质主要有:碳化钙、氢氧化钙、铝粉、硫酸铝、双氧水；由亲水性聚氨醋塑料和瓷浆料同时发泡制作泡沫瓷；用硫化物和硫酸盐混合发泡剂等叫。采用发泡工艺制作泡沫瓷的优点是容易控制制品的形状、成分和密度，特别是适合于闭气孔瓷材料的制造，但是此方法成型泡沫瓷工艺较复杂，不易控制，且制备的泡沫瓷易出现粉化剥落现象并含有大量闭气孔，因而在实际制备较少被采用。4溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶方法主要用来制备孔径在纳米级的微孔瓷材料。同时本方法经改良后也可以制备高规整度泡沫瓷材料。运用溶胶凝胶技术制备泡沫材料，在溶胶向凝胶的转化过程中

6、，体系的粘度迅速增加，从而稳定了前期产生的气泡，有利于发泡。该工艺与其它工艺相比有其独特之处，它可以制备孔径在纳米级、气孔分布均匀的泡沫瓷薄膜。5自蔓延高温合成工艺 1967 年，联科学家 Mazhanov A G 创造了自蔓延高温合成工艺SHS，又称为燃烧合成法。 该方法高效、节能，可以制备出性能优良的瓷材料，其产品具有较高的孔隙率， 因此常用该方法制备具有联系网格构造的瓷材料。 其根本思路是：当温度高于必要的点火温度时，诱发体系产生局部的化学反响。 该反响是放热反响，在持续放热下，燃烧将涉及到整个体系。 SHS 的本质是一种高放热无机化学反响，近年来该 SHS 技术受到了广泛的关注。6凝胶

7、注模工艺 美国橡树岭国家实验室首次提出了凝胶注模工艺，它是一种被广泛应用的新型成形方法。 这种新的成形技术采用非孔模具， 利用料浆部或少量添加剂的化学反响使瓷料浆原位凝固形成坯体， 获得具有良好微观均匀性和较高密度的素坯，从而显著提高材料的可靠性。 该工艺可以使悬浮体泡沫化， 而且能使液体泡沫原位聚合固化。 作为制备多孔瓷的一种新方法，悬浮体泡沫化显然最经济， 原位聚合固化所形成的素坯具有部网状构造，强度较高。 Pilarsepulveda 使用该工艺制备的多孔氧化铝瓷，其抗弯强度高达 26MPa，孔隙率高达 90%。几种泡沫陶瓷制备工艺的比拟4、制备工艺的新进展4.1 颗粒堆积成孔工艺 依靠

8、粗颗粒堆积，颗粒结合部形成多孔构造。粗的颗粒靠细粒熔化粘合，也可以参加易熔的粘结剂结合。这种工艺可通过调整颗粒级配对孔构造进展控制，制品的孔隙率一般为 20% 30% 左右，在原料中参加碳粉、木屑、淀粉等成孔剂，高温下使其挥发可将整体孔隙率提高至75% 左右。4.2 冷冻枯燥工艺 这种基于冷冻原理的独特的瓷制备工艺可以制备具有复杂孔构造的多孔瓷。其原理是在瓷料浆冷冻的同时，控制晶体冰单向生长，在低压条件下进展枯燥处理，此时溶剂冰升华而排出，坯体中形成定向排布的孔构造，之后进展烧结。该工艺的特点是坯体烧成收缩小、 烧成控制简单、孔构造可设计性强、制品机械强度相对较好。Takayukki Fuka

9、sawa 等以水为溶剂，制备出同时含有宏观气孔和微观气孔的复合孔构造氧化铝瓷，制备过程中对环境不产生污染，显示出良好的环境友好性。该工艺也可用于制备其他多孔材料，具有广阔的发展前景。4.3 孔梯度制备方法 孔梯度瓷是指孔径随厚度作有规律地缩小或增大的瓷材料，按孔的分布状况可分为连续孔梯度瓷和阶梯状孔梯度瓷。孔梯度多孔瓷的制备方法主要有致孔剂梯度排列法、有机前驱体浸渍法以及沉淀生成法等。致孔剂梯度排列法是将混有不同粒径致孔剂的骨料按致孔剂粒径从大到小的顺序一层一层的平铺在模具，经过压制成型、枯燥和烧成而制得孔梯度多孔瓷。有机前驱体浸渍法是将不同孔径的有机前驱体分别浸入瓷浆料中，然后按孔径从大到小

10、的顺序叠放在一起，经枯燥烧成即可得到孔梯度多孔瓷。沉淀生成法是将改性的不同粒度的致孔剂粉末置人同一瓷浆料中，会出现共同沉淀，由于不同粒度致孔剂的沉淀速率不同，可以获得不同粒度的致孔剂组分连续变化的沉积层，经枯燥、成型、烧结即可获得具有孔梯度的多孔瓷。最近，出现了利用离心烧结技术制备孔梯度多孔瓷的报道它是利用离心力使孔梯度沿径向线性变化。5、 泡沫瓷过滤器 泡沫瓷的过滤机理十分复杂,一些研究试图用经典的圆柱纤维绕流理论进展建模分析,但这种模型与实际应用有较大的差异,实现起来也有一定的困难。泡沫瓷是一种多孔介质,其部的气固、液固多相流动是目前较为前沿的课题。由于描述多孔介质的构造有较大的困难,这方

11、面的研究多局限于把它当作具有均匀参数的整体进展研究。在一些液固两相渗流研究中,由于固体粒子在多孔介质中的运动规律十分重要,因而建立了基于微观构造的渗流二维过滤模型。5.1泡沫瓷过滤体几何模型图a为泡沫瓷的微观构造及简化模型。泡沫瓷是一种具有曲折通道和高孔隙率的耐高温过滤材料。它的部有许多小孔室,小孔直径一般为0。2 mm2 mm,每个小孔通过窗口与多个邻孔相连,在过滤体构成许多曲折的通道,如图1a所示。当粒径小于1Lm的排气微粒流经这些曲折通道时,由于气流不断改变方向,局部微粒因惯性碰撞拦截、扩散拦截和几何拦截等多种作用而沉积于过滤体的部。单个小孔室可以近似地看作是有多个气流入口和出口的空心球

12、。气流流入小孔室后,流动方向一般会改变。根据等效作用,小孔室可以简化为单入口和单出口的空心球,如图b所示。5.2微粒的扩散捕集扩散捕集是微粒由于布朗运动而碰壁沉积,过滤体的外表实际上起到了负源的作用,在小孔形成浓度差,成为颗粒扩散的驱动力。在除尘技术中,当微粒的直径小于1Lm时,必须要考虑微粒的扩散作用。1但许多研究说明,只有当微粒的直径小于0。1Lm时,其扩散作用才很显著5。微粒扩散满足如下方程:式中:g为气体密度；mi为i组微粒的质量分数；V为气体速度；D为扩散系数；Si为i组微粒的扩散捕集率。D可以用爱因斯坦或兰格米尔(Langmuir)推导的粉尘颗粒扩散系数进展计算。5.3微粒的惯性碰

13、撞捕集惯性碰撞捕集作用是由于气流急剧改变方向,微粒因惯性作用而脱离流线,沉积到过滤体的外表而产生的。通过分析微粒的受力,建立适宜的模型,可以计算出微粒在流场中的运动轨迹,最终得出微粒的捕集效率。作用于微粒上的力包括惯性力、阻力、重力、压差力、Saffman力、附加质量力、Basset力、升力、Magnus力等。在一般情况下,Magnus力远小于阻力和Saffman力,浮力远小于重力,附加质量力和Basset力远小于惯性力。因此可以只考虑微粒受到的惯性力、阻力、重力和Saffman力,在没有电场力等其它力的情况下,力平衡方程为2式中:Vp为微粒速度；t为时间；di为i组微粒的直径；Cd为阻力系数

14、。根据式(2)可以计算出微粒在流场急剧改变方向时的受力和运动轨迹,给出适当的碰壁条件后,便可以计算出微粒的惯性碰撞捕集效率。6、气粒两相流数学模型6.1根本方程组过滤体的气体流速一般在10 m/s以下,过滤体的小孔直径一般在2 mm以。因此气体在过滤体中的流动是一种低雷诺数流动,可以认为是层流。排气通过过滤体时,微粒没有燃烧,如果忽略液体成分的蒸发,可以看作无相变定常流动。气体满足以下方程组:式(4)式(6)分别为气相连续方程、气相动量方程、理想气体状态方程。方程中T为气体温度；L为气体粘度系数；p为气体压力；R为气体常数；M为气体平均分子量。式(4)式(6)加上微粒相组分方程(1)、微粒相动

15、量方程(2)联立求解便可以得出微粒的运动规律。上述方程组中微粒的扩散捕集和惯性碰撞捕集是分别考虑的,因此在计算微粒总的捕集效率时考虑两种捕集机理的综合作用。6.2数值方法问题的求解区域为开口的球体,虽然求解区域十分规则,但用规则的网格剖分却很困难。本文采用拟极坐标对区域划分,图2是剖分后的截面图。方程的差分在空间上采用有限体积法,根本的计算单元为一不规则的六面体。规定3个独立的有向单元面,面矢量的正向规定为由本单元指向外。实际上这3个矢量构成单元局部坐标系。有了求解的根本方程组和方程差分方法,再加上适当的边界条件,便可对问题进展求解。7、过滤机理的理论分析 7.1微观单元中的流场及微粒运动轨迹

16、 为了了解微观单元的流场情况和微粒运动规律,图3给出了计算区域对称平面上的速度场分布和微粒的运动轨迹。图3b中微粒的运动轨迹由细到粗分别对应直径为0。24Lm、0。42Lm、0。75Lm及8Lm的微粒。可以看出,微粒越小,其运动轨迹与流线越接近；而大尺寸微粒由于惯性较大,其运动轨迹受流场的影响较小。计算说明,直径为8Lm的微粒运动轨迹根本上呈直线,只有在近壁处由于气流的速度梯度较大,运动方向才稍有改变。粒径在1。0Lm以下的微粒运动到壁面的几率比拟小。而测量说明,柴油机排气微粒的粒径在0。01Lm1。0Lm之间,大于1。0Lm的微粒很少,因此单个过滤单元的过滤效率很低。但过滤体是由许多微孔组成

17、的,当这些微孔串连起来时,过滤效率便呈几何级数上升。7.2流速对过滤效率的影响 流速是过滤器设计中的一个十分重要的参数,是确定过滤器横截面尺寸的主要依据。由于目前尚无这方面的理论,在确定过滤器尺寸时没有考虑到流速对过滤效率的影响。本文计算不同流速下扩散过滤效率及惯性碰撞过滤效率,就是为了研究流速对过滤效率的影响,为过滤器的设计和过滤体的研制提供理论依据。图4是不同流速下微粒的扩散捕集效率曲线,给出了流速对0。133Lm、0。422Lm两种微粒扩散捕集效率的影响。随着流速的提高,扩散捕集效率有所下降,但当流速到达10 m/s时,扩散效率又有所上升。图5是不同流速下微粒的惯性碰撞捕集效率曲线,给出

18、了流速对0。24Lm、2。0Lm两种微粒惯性碰撞捕集效率的影响。可以看出,流速为2 m/s时,小微粒的捕集效率高于大微粒,随着流速的提高,两种微粒的捕集效率都有所降低；当流速高于6 m/s时,大微粒的捕集效率迅速上升,而小微粒的捕集效率继续下降。流速对微粒惯性碰撞捕集效率的影响十分复杂。一方面,随着流速的提高,微粒具有更大的动量而难以改变其运动方向,因此容易在气流转向时碰壁而被捕集；另一方面,流速提高后气流的输运能力也随之提高,能够携带更大的粒子,尤其是微观单元近壁处的速度梯度与气流的平均速率密切相关,而由速度梯度引起的Saffman力会阻止微粒撞击壁面。微粒能否撞击壁面而被捕集受以上两方面因

19、素综合作用的影响。7.3微粒大小对过滤效率的影响图6是不同微粒在不同流速时惯性碰撞捕集效率随微粒尺寸变化的曲线。从图中可以看出,当微粒的粒径小于1。0Lm时,捕集效率变化不大；当粒径大于1。0Lm时,捕集效率迅速上升。不同流速下上升的趋势大致一样,速度越高,这种上升越明显。图7给出了不同大小微粒的扩散效率。随着微粒直径的增大,捕集效率迅速下降,当微粒大于0。5Lm时,捕集效率的下降变得缓慢。泡沫瓷参数对过滤效率的影响设计过滤器时,还要对过滤体的微观参数进展选择。影响过滤体过滤效率的微观参数很多,其中最为主要的是微孔尺寸。图8给出了0。5 mm、1。0 mm、2。0mm三种微孔尺寸下微粒的分级惯

20、性碰撞捕集效率。计算时入口的边界速度一样,因此不同尺寸微孔部速度分布不同,尤其是速度梯度相差很大,因此与微孔近壁处速度梯度密切相关的Saffman力成了影响微粒捕集的重要因素。微粒受到的Saffman力与其体积和气体的速度梯度成正比。对于小微粒,其受到的Saffman力较小,因此微孔尺寸变化时,其捕集效率变化不大。对于大微粒,当微孔尺寸增大时,由于孔速度梯度减小,微粒所受到的Saffman力也随之减小,致使捕集效率明显提高。但微孔尺寸增大时,由于微粒与壁面的距离相对增大,碰壁的可能性下降,捕集效率降低,因此靠增大微孔尺寸来提高微粒的惯性碰撞捕集效率是受限制的。图9是不同微孔尺寸下微粒的分级扩散

21、捕集效率。可以看出,扩散捕集效率的变化不像惯性碰撞捕集效率那样变化复杂,微孔尺寸越大,捕集效率越低,对不同粒径的微粒都出现了一样的规律。7.4结论(1)随着流速的提高,微粒的惯性碰撞捕集效率逐渐降低。当流速到达一定值时,大微粒的捕集效率将迅速上升,而小微粒的捕集效率继续降低。(2)当粒径小于1。0Lm时,惯性捕集效率随微粒粒径的变化不大；当粒径大于1。0Lm时,惯性碰撞捕集效率随微粒粒径的增大而迅速上升。当微粒的粒径增大时,扩散捕集效率迅速下降,但增大到0。5Lm时,下降速率变得缓慢。(3)微孔直径越大,扩散捕集效率越低。(4)微粒在微孔壁附近所受到的Saffman力对微粒的捕集起了阻碍的作用

22、。8泡沫瓷在环境治理中的应用8.1在水处理中的应用 泡沫瓷在水处理中可以作为过滤器，用其替代目前国水处理行业中使用的石英砂过滤材料，可大幅度提高水处理效率，减少环境污染，降低水处理本钱。泡沫瓷的过滤是集吸咐、外表过滤和深层过滤于一体，且以深层过滤为主的一种过滤方式。由于泡沫瓷具有充分发育的孔构造，比外表积较大，能够吸附水中微小的悬浮物，主要以物理吸附为主。外表过滤主要发生在过滤介质的外表，泡沫瓷起到一种筛滤的作用，大于微孔孔径的颗粒被截留，被截留的颗粒在过滤介质外表产生架桥现象，形成了一层滤膜。这层滤膜也能起到重要的过滤作用，可防止杂质进入过滤层部将微孔很快堵塞。深层过滤发生在泡沫瓷部，由于泡沫瓷孔道的迁回，加上流体介质在颗粒外表形成的拱桥效应、惯性冲撞如布朗运动的影响，因此，其过滤精度比本身孑L径小得多，当过滤液体介质时，泡沫瓷的过滤精度约为其本身孑眼的1/10一1/S。 以氧化铝为材料制成的微孔泡沫瓷，可除去水中杂质、细菌、微生物、重金属离子等，并具有抗菌、杀菌防霉、除臭功能。其主要技术指标:孔径为3一Gum(渗滤)，孔径60%；除菌效果:大肠杆菌3个/L，杂菌总数