赤泥陶瓷的制备及性能研究

赤泥陶瓷的制备及性能研究

赤泥是氧化锌行业的废水。在我国,每生产1t氧化铝会产生1～2t赤泥废渣。现已积累了超过5000万t有待利用的赤泥,且每年还要排放超过500万t的赤泥,排放量逐年增加。大量的赤泥堆积如山、占用农田,赤泥中的含碱废液还会污染环境。赤泥的综合利用引起了广泛的关注。建筑陶瓷的制备具有原料需求量大但对原料要求不高的特点,利用赤泥制备建筑陶瓷是赤泥综合利用的重要途径之一。国外利用赤泥制备建筑陶瓷的研究主要是利用赤泥制备砖瓦。在我国,利用赤泥制备建筑陶瓷主要有烧结砖、清水砖和琉璃瓦等,这些建筑陶瓷的强度要求都比较低。笔者探索了利用赤泥与其他最常用的陶瓷原料,在无需特殊添加剂的条件下,制备强度更高的建筑陶瓷。1测试1.1试验原材料1.1.1耐雨水能力分析本试验所用赤泥为广西平果铝的拜耳法赤泥。赤泥是一种深红色的土状物。利用欧美克激光粒度分析仪对平果铝赤泥的粒度进行分析测试,测试结果如表1所示。平果铝赤泥的D50为3.36μm,其粒径较细。赤泥具有一定的可塑性,但堆存时间较长而风化以后,可塑性成分被雨水带走较多,其可塑性变差。广西冶金研究院对平果铝赤泥的化学成分进行了分析(表2)。平果铝赤泥中氧化铁含量(wB)高达32.47%,氧化钠含量达4.0%,二氧化硅含量却低至11.93%,具有高铁、高碱、低硅的特点,这一特点有利于降低坯体的烧结温度。但赤泥的硅铝含量都不高,赤泥的酸度系数仅为0.19,与文献提到的一般陶瓷的酸度系数范围值1.26～1.65相比要小得多,因此赤泥不适合单独用来制备陶瓷。利用X′PertPROX射线衍射仪分析了平果铝赤泥的物相,从图1可以看出有赤铁矿、针铁矿、水化石榴石、水铝石、钛铁矿、方解石等物相,这与文献的结果相吻合。从衍射强度来看赤泥中赤铁矿的含量最高,其次是水化石榴石和方解石,针铁矿、水铝石和钛铁矿含量较少。赤泥中赤铁矿过多、含硅铝的物相过少,不适合单独用来制备陶瓷,需要与其他高硅铝的原料搭配使用。1.1.2培养陶瓷中的二氧化碳含量该赤泥陶瓷的原料还有石英砂和高岭土。赤泥中二氧化硅含量非常低,仅为11.93%,普通陶瓷中二氧化硅的含量都超过50%,因此利用赤泥制备陶瓷需要提高其中二氧化硅的含量,本试验选用石英砂来提高坯料中的二氧化硅的含量。因赤泥成分复杂、含铁量很高,对制坯所用的石英砂纯度要求也不高,可使用含杂质量较高但价格便宜的天然石英砂。赤泥中氧化铝的含量也不高,仅17.47%,掺入石英砂以后,坯料中氧化铝的含量更低,需要提高坯料中氧化铝的含量,以减少烧结过程中出现的开裂和变形。可选用价格便宜、可塑性好的低品位高岭土来调节配料中氧化铝的含量。1.2原料配比实验用均匀形式设计赤泥陶瓷的配方,以尽可能多的考虑赤泥用量范围和赤泥的上限(下限)与其他组分的下限(上限)之和为100%为原则,选取赤泥(wB)20%～80%,石英砂10%～70%,高岭土10%～50%为原料配比范围进行实验。赤泥陶瓷的配方设计如图2所示。图中加粗黑线围成的区域就是本实验选择的陶瓷原料配比范围,在此区域内的9个点,把整个区域分割成大小均匀的8个等边三角形。先以样品的抗压强度为指标,对这9个配方进行测试,再选择一些抗压强度比较大、赤泥用量也大的点,在这些点构成的区域内选择新的配方点,进一步探索有较高强度的赤泥陶瓷的原料配比。1.3赤泥陶瓷的制备赤泥陶瓷制备的工艺流程:原料预处理→配料→球磨→干燥→压制成型→烧结。2结果与讨论2.1赤泥陶瓷的性能利用赤泥、石英砂和高岭土来制备陶瓷,以陶瓷的抗压强度为主要性能指标来探索赤泥陶瓷的配方。表3是不同配方的原料在1100℃下烧结成赤泥陶瓷的抗压强度。可以看出,随着赤泥含量的增大,陶瓷的抗压强度先增大后减小:当赤泥含量较低时,原料中石英砂的含量过高、熔剂性成分过少,坯体烧结困难、强度不高,如配方1和2;当赤泥含量较高时,强度也较低,如配方9;当赤泥含量为30%～40%时,赤泥陶瓷的强度普遍较高,平均抗压强度高达127.4MPa;当赤泥与石英砂含量相当或略高一些时,赤泥陶瓷的强度普遍较高,如配方5和13。高岭土的含量对陶瓷抗压强度的影响趋势是随着高岭土含量的增大,对应的强度也越高。抗压强度最高的配方3中高岭土的含量高达50%。综合考虑,当赤泥含量为30%～40%、石英砂为30%～50%时,赤泥陶瓷的强度都较高。当含赤泥40%、石英砂30%、高岭土30%时,其抗压强度达144.4MPa,三点弯曲实验法测试其弯曲强度为29.3MPa,真空法测试其吸水率为6.35%。国家标准对建筑陶瓷的弯曲强度要求:釉面内墙砖的弯曲强度大于16MPa,彩釉面陶瓷墙地砖的弯曲强度大于24.5MPa,陶瓷劈离砖的弯曲强度大于20MPa,琉璃瓦大于1177N。该赤泥陶瓷素坯就有29.3MPa的弯曲强度,已经超过国家标准对多种建筑陶瓷要求的弯曲强度,上釉以后其强度会更大、吸水率更小。该样品的吸水率已达到国家标准中一般建筑陶瓷的要求。因此,赤泥可以用来制备机械强度和吸水率等参数达到国家标准的多种建筑陶瓷。2.2钙长石的生成从赤泥陶瓷的扫描电镜照片(图3)可以看出,有一些圆形气孔,断面纹路无规则,有很多光滑的玻璃相断面特征,这些玻璃相交错在一起。该样品已经成瓷,其断面形貌是一种普通陶瓷的断面形貌。对赤泥陶瓷进行了粉末X射线衍射测试,分析赤泥陶瓷的物相。从图4可以看出,该赤泥陶瓷的主要物相为石英、氧化铁和钙长石。钙长石是赤泥与高岭土反应生成的。钙长石强度较高,提高了赤泥陶瓷的强度。在图4中没有找到通常情况下高岭土在高温下反应生成的莫来石的衍射峰。这表明在赤泥存在的条件下,高岭土并没有反应生成莫来石,而是先与赤泥中的方解石等反应生成了钙长石。这可能是高岭土在较低的温度下就已反应生成了钙长石,使赤泥陶瓷在较低的温度下就获得了较高的强度。钙长石是赤泥陶瓷在高温条件下生成的主要晶相,对成瓷起到了重要的作用。从赤泥陶瓷的X射线衍射图中还可以看到很多的毛刺,这主要是赤泥陶瓷中有很多无定型的玻璃相存在。玻璃相主要是赤泥中的氧化铁、氧化钙、氧化钠等成分与石英反应生成的。玻璃相在高温条件下为液态,在毛细管力的作用下分布在陶瓷体内形成网状的结构。玻璃相的这一网状结构大大提高了赤泥陶瓷的强度。该玻璃相生成的温度较低,液态玻璃相又充当了其他固相反应的溶剂和媒介,加快了其他固相反应的进行,降低了陶瓷的烧结温度。赤泥与石英砂反应生成的玻璃相是赤泥陶瓷重要的组成,对成瓷有重要意义。3赤泥陶瓷的最佳配方(1)平果铝赤泥可以用来制备机械强度高于国家标准要求的多种建筑陶瓷。(2)赤