1、泡沫陶瓷在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用摘要：本文介紹了泡沫陶瓷的概念、制備方法優(yōu)點(diǎn)、性能以及目前國內(nèi)外的研究發(fā)展?fàn)顩r，重點(diǎn)講述了泡沫陶瓷過濾器的機(jī)理以及在反水處理、反氣處理、吸聲降噪領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)泡沫陶瓷在環(huán)晚中的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢作了預(yù)剛。關(guān)鍵詞：泡沫陶瓷過濾器，泡沫陶瓷；水處理，廢氣處理，吸聲降噪1、前言 泡沫陶瓷是一種氣孔率高達(dá)70%90%,體積密度只有0。30。6 GP,具有三維立體網(wǎng)絡(luò)骨架和相互貫通氣孔結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷制品。它除了具有耐高溫、耐腐蝕等一般陶瓷所具有的性能外,且具有密度小、氣孔率高、比表面積大,對(duì)流體自擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。泡沫陶瓷是一種造型上像泡沫的多孔陶瓷，它是繼普通多孔陶瓷、蜂窩

2、多孔陶瓷之后，近年來發(fā)展起來的第三代多孔陶瓷產(chǎn)品。這種高技術(shù)陶瓷具有三維連通孔道，同時(shí)對(duì)其形狀、孔尺寸、滲透性、表面積及化學(xué)性能均可進(jìn)行適度調(diào)整變化。2、 泡沫陶瓷的性能2.1氣孔率 泡沫陶瓷的氣孔率為70%90%,對(duì)多孔陶瓷來說,這是最高的。蜂窩陶瓷的氣孔率約為60%,陶瓷顆粒燒結(jié)體的氣孔率約為30%50%。2.2抗彎強(qiáng)度 泡沫陶瓷的強(qiáng)度主要依賴于陶瓷材質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)骨架的粗細(xì)。骨架的粗細(xì)可以用泡沫陶瓷的體積密度來表示。表1列出了不同陶瓷材質(zhì)與不同體積密度的抗彎強(qiáng)度。2.3抗熱震性 泡沫陶瓷作為熔融金屬的過濾材料,因?yàn)槠涫褂糜跍囟燃弊兊膱龊?必須具有良好的抗熱震穩(wěn)定性,現(xiàn)將山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計(jì)院研

3、制的泡沫陶瓷制品的性能示于表2。3、泡沫陶瓷的制備工藝 泡沫陶瓷的制備工藝很多，應(yīng)用比較成功且開發(fā)年代較早的有:添加造孔劑工藝、發(fā)泡工藝、有機(jī)前驅(qū)體浸漬工藝、。SOI-Gel工藝、固態(tài)顆粒燒結(jié)工藝等。（1）添加造孔劑工藝 此工藝是通過在陶瓷配料添加造孔劑，利用造孔劑在坯體占據(jù)一定的空間，然后經(jīng)過燒結(jié)，造孔劑離開基體而形成氣孔來制備泡沫陶瓷葉。造孔劑顆粒的形狀和大小決定了泡沫陶瓷材料氣孔的形狀和大小。其成形方法_1幾要有模壓、擠壓、等靜壓、注射和粉料澆注等。該工藝可制成形狀復(fù)雜及各種氣孔結(jié)構(gòu)的泡沫陶瓷制品，但缺點(diǎn)是氣孔尺寸分布的可控性差、氣孔率低。（2）有機(jī)前驅(qū)體浸漬工藝 目前泡沫陶瓷最理想的制

4、備方法是有機(jī)前驅(qū)體浸漬法，用此種成形方法制備的泡沫陶瓷己在多個(gè)領(lǐng)域獲得大量應(yīng)用。該方法通過控制漿料性能，優(yōu)化無機(jī)粘結(jié)劑體系，嚴(yán)格控制漿料浸漬工藝過程，可以制備高性能的泡沫陶瓷制品。但是有機(jī)前驅(qū)體浸漬法工藝存在一個(gè)明顯的缺陷，即制品的孔隙結(jié)構(gòu)尤其是孔徑取決于所選有機(jī)泡沫體的孔隙結(jié)構(gòu)和孔徑大小。而目前所供選用的有機(jī)泡沫體的網(wǎng)眼尺寸是有限的，這在一定程度上制約了所得泡沫陶瓷材料的孔徑和結(jié)構(gòu)圈。該工藝能制備出高強(qiáng)度、高氣孔率的制品，但不能制造小孔徑閉氣孔制品，而且形狀受限制，密度不易控制。為保證制品質(zhì)量，選用泡沫的的氣化溫度要低于陶瓷體的燒結(jié)溫度，而且不會(huì)污染陶瓷體。泡沫要有一定的親水性和足夠的回彈性

5、，能與陶瓷漿料緊密結(jié)合，能保證多余的漿料擠出后還能恢復(fù)原來的形狀剛。（3）發(fā)泡工藝 該工藝是在陶瓷組分中加入有機(jī)或無機(jī)化學(xué)物質(zhì)，通過化學(xué)反應(yīng)等產(chǎn)生抨發(fā)氣體，干燥后燒制成多孔陶瓷體。用作發(fā)泡的化學(xué)物質(zhì)主要有:碳化鈣、氫氧化鈣、鋁粉、硫酸鋁、雙氧水；由親水性聚氨醋塑料和陶瓷漿料同時(shí)發(fā)泡制作泡沫陶瓷；用硫化物和硫酸鹽混合發(fā)泡劑等叫。采用發(fā)泡工藝制作泡沫陶瓷的優(yōu)點(diǎn)是容易控制制品的形狀、成分和密度，特別是適合于閉氣孔陶瓷材料的制造，但是此方法成型泡沫陶瓷工藝較復(fù)雜，不易控制，且制備的泡沫陶瓷易出現(xiàn)粉化剝落現(xiàn)象并含有大量閉氣孔，因而在實(shí)際制備較少被采用。（4）溶膠-凝膠法 溶膠-凝膠方法主要用來制備孔徑在

6、納米級(jí)的微孔陶瓷材料。同時(shí)本方法經(jīng)改進(jìn)后也可以制備高規(guī)整度泡沫陶瓷材料。運(yùn)用溶膠凝膠技術(shù)制備泡沫材料，在溶膠向凝膠的轉(zhuǎn)化過程中，體系的粘度迅速增加，從而穩(wěn)定了前期產(chǎn)生的氣泡，有利于發(fā)泡。該工藝與其它工藝相比有其獨(dú)特之處，它可以制備孔徑在納米級(jí)、氣孔分布均勻的泡沫陶瓷薄膜。（5）自蔓延高溫合成工藝 1967 年，蘇聯(lián)科學(xué)家 Mazhanov A G 發(fā)明了自蔓延高溫合成工藝（SHS），又稱為燃燒合成法。 該方法高效、節(jié)能，可以制備出性能優(yōu)良的陶瓷材料，其產(chǎn)品具有較高的孔隙率， 因此常用該方法制備具有聯(lián)系網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的陶瓷材料。 其基本思路是：當(dāng)溫度高于必要的點(diǎn)火溫度時(shí)，誘發(fā)體系產(chǎn)生局部的化學(xué)反應(yīng)。

7、該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，在持續(xù)放熱下，燃燒將涉及到整個(gè)體系。 SHS 的本質(zhì)是一種高放熱無機(jī)化學(xué)反應(yīng)，近年來該 SHS 技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注。（6）凝膠注模工藝 美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室首次提出了凝膠注模工藝，它是一種被廣泛應(yīng)用的新型成形方法。 這種新的成形技術(shù)采用非孔模具， 利用料漿內(nèi)部或少量添加劑的化學(xué)反應(yīng)使陶瓷料漿原位凝固形成坯體， 獲得具有良好微觀均勻性和較高密度的素坯，從而顯著提高材料的可靠性。 該工藝可以使懸浮體泡沫化， 而且能使液體泡沫原位聚合固化。 作為制備多孔陶瓷的一種新方法，懸浮體泡沫化顯然最經(jīng)濟(jì)， 原位聚合固化所形成的素坯具有內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度較高。 Pilarsepulveda

8、使用該工藝制備的多孔氧化鋁陶瓷，其抗彎強(qiáng)度高達(dá) 26MPa，孔隙率高達(dá) 90%。幾種泡沫陶瓷制備工藝的比較 4、制備工藝的新進(jìn)展4.1 顆粒堆積成孔工藝 依靠粗顆粒堆積，顆粒結(jié)合部形成多孔結(jié)構(gòu)。粗的顆?？考?xì)粒熔化粘合，也可以加入易熔的粘結(jié)劑結(jié)合。這種工藝可通過調(diào)整顆粒級(jí)配對(duì)孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，制品的孔隙率一般為 20% 30% 左右，在原料中加入碳粉、木屑、淀粉等成孔劑，高溫下使其揮發(fā)可將整體孔隙率提高至75% 左右。4.2 冷凍干燥工藝 這種基于冷凍原理的獨(dú)特的陶瓷制備工藝可以制備具有復(fù)雜孔結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷。其原理是在陶瓷料漿冷凍的同時(shí)，控制晶體冰單向生長，在低壓條件下進(jìn)行干燥處理，此時(shí)溶劑冰升華

9、而排出，坯體中形成定向排布的孔結(jié)構(gòu)，之后進(jìn)行燒結(jié)。該工藝的特點(diǎn)是坯體燒成收縮小、 燒成控制簡單、孔結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、制品機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較好。Takayukki Fukasawa 等以水為溶劑，制備出同時(shí)含有宏觀氣孔和微觀氣孔的復(fù)合孔結(jié)構(gòu)氧化鋁陶瓷，制備過程中對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生污染，顯示出良好的環(huán)境友好性。該工藝也可用于制備其他多孔材料，具有廣闊的發(fā)展前景。4.3 孔梯度制備方法 孔梯度陶瓷是指孔徑隨厚度作有規(guī)律地縮小或增大的陶瓷材料，按孔的分布狀況可分為連續(xù)孔梯度陶瓷和階梯狀孔梯度陶瓷。孔梯度多孔陶瓷的制備方法主要有致孔劑梯度排列法、有機(jī)前驅(qū)體浸漬法以及沉淀生成法等。致孔劑梯度排列法是將混有不同粒徑致孔

10、劑的骨料按致孔劑粒徑從大到小的順序一層一層的平鋪在模具內(nèi)，經(jīng)過壓制成型、干燥和燒成而制得孔梯度多孔陶瓷。有機(jī)前驅(qū)體浸漬法是將不同孔徑的有機(jī)前驅(qū)體分別浸入陶瓷漿料中，然后按孔徑從大到小的順序疊放在一起，經(jīng)干燥燒成即可得到孔梯度多孔陶瓷。沉淀生成法是將改性的不同粒度的致孔劑粉末置人同一陶瓷漿料中，會(huì)出現(xiàn)共同沉淀，由于不同粒度致孔劑的沉淀速率不同，可以獲得不同粒度的致孔劑組分連續(xù)變化的沉積層，經(jīng)干燥、成型、燒結(jié)即可獲得具有孔梯度的多孔陶瓷。最近，出現(xiàn)了利用離心燒結(jié)技術(shù)制備孔梯度多孔陶瓷的報(bào)道它是利用離心力使孔梯度沿徑向線性變化。5、 泡沫陶瓷過濾器 泡沫陶瓷的過濾機(jī)理十分復(fù)雜,一些研究試圖用經(jīng)典的圓

11、柱纖維繞流理論進(jìn)行建模分析,但這種模型與實(shí)際應(yīng)用有較大的差別,實(shí)現(xiàn)起來也有一定的困難。泡沫陶瓷是一種多孔介質(zhì),其內(nèi)部的氣固、液固多相流動(dòng)是目前較為前沿的課題。由于描述多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)有較大的困難,這方面的研究多局限于把它當(dāng)作具有均勻參數(shù)的整體進(jìn)行研究。在一些液固兩相滲流研究中,由于固體粒子在多孔介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律十分重要,因而建立了基于微觀結(jié)構(gòu)的滲流二維過濾模型。5.1泡沫陶瓷過濾體幾何模型圖a為泡沫陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)及簡化模型。泡沫陶瓷是一種具有曲折通道和高孔隙率的耐高溫過濾材料。它的內(nèi)部有許多小孔室,小孔直徑一般為0。2 mm2 mm,每個(gè)小孔通過窗口與多個(gè)鄰孔相連,在過濾體內(nèi)構(gòu)成許多曲折的通道,

12、如圖1a所示。當(dāng)粒徑小于1Lm的排氣微粒流經(jīng)這些曲折通道時(shí),由于氣流不斷改變方向,部分微粒因慣性碰撞攔截、擴(kuò)散攔截和幾何攔截等多種作用而沉積于過濾體的內(nèi)部。單個(gè)小孔室可以近似地看作是有多個(gè)氣流入口和出口的空心球。氣流流入小孔室后,流動(dòng)方向一般會(huì)改變。根據(jù)等效作用,小孔室可以簡化為單入口和單出口的空心球,如圖b所示。5.2微粒的擴(kuò)散捕集擴(kuò)散捕集是微粒由于布朗運(yùn)動(dòng)而碰壁沉積,過濾體的內(nèi)表面實(shí)際上起到了負(fù)源的作用,在小孔內(nèi)形成濃度差,成為顆粒擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力。在除塵技術(shù)中,當(dāng)微粒的直徑小于1Lm時(shí),必須要考慮微粒的擴(kuò)散作用。（1）但許多研究表明,只有當(dāng)微粒的直徑小于0。1Lm時(shí),其擴(kuò)散作用才很顯著5。微

13、粒擴(kuò)散滿足如下方程:式中:g為氣體密度；mi為i組微粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；V為氣體速度；D為擴(kuò)散系數(shù)；Si為i組微粒的擴(kuò)散捕集率。D可以用愛因斯坦或蘭格米爾(Langmuir)推導(dǎo)的粉塵顆粒擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。5.3微粒的慣性碰撞捕集慣性碰撞捕集作用是由于氣流急劇改變方向,微粒因慣性作用而脫離流線,沉積到過濾體的內(nèi)表面而產(chǎn)生的。通過分析微粒的受力,建立合適的模型,可以計(jì)算出微粒在流場中的運(yùn)動(dòng)軌跡,最終得出微粒的捕集效率。作用于微粒上的力包括慣性力、阻力、重力、壓差力、Saffman力、附加質(zhì)量力、Basset力、升力、Magnus力等。在一般情況下,Magnus力遠(yuǎn)小于阻力和Saffman力,浮力遠(yuǎn)小于

14、重力,附加質(zhì)量力和Basset力遠(yuǎn)小于慣性力。因此可以只考慮微粒受到的慣性力、阻力、重力和Saffman力,在沒有電場力等其它力的情況下,力平衡方程為（2）式中:Vp為微粒速度；t為時(shí)間；di為i組微粒的直徑；Cd為阻力系數(shù)。根據(jù)式(2)可以計(jì)算出微粒在流場急劇改變方向時(shí)的受力和運(yùn)動(dòng)軌跡,給出適當(dāng)?shù)呐霰跅l件后,便可以計(jì)算出微粒的慣性碰撞捕集效率。6、氣粒兩相流數(shù)學(xué)模型6.1基本方程組過濾體內(nèi)的氣體流速一般在10 m/s以下,過濾體的小孔直徑一般在2 mm以內(nèi)。因此氣體在過濾體中的流動(dòng)是一種低雷諾數(shù)流動(dòng),可以認(rèn)為是層流。排氣通過過濾體時(shí),微粒沒有燃燒,如果忽略液體成分的蒸發(fā),可以看作無相變定常流

15、動(dòng)。氣體滿足以下方程組:式(4)式(6)分別為氣相連續(xù)方程、氣相動(dòng)量方程、理想氣體狀態(tài)方程。方程中T為氣體溫度；L為氣體粘度系數(shù)；p為氣體壓力；R為氣體常數(shù)；M為氣體平均分子量。式(4)式(6)加上微粒相組分方程(1)、微粒相動(dòng)量方程(2)聯(lián)立求解便可以得出微粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。上述方程組中微粒的擴(kuò)散捕集和慣性碰撞捕集是分別考慮的,因此在計(jì)算微粒總的捕集效率時(shí)考慮兩種捕集機(jī)理的綜合作用。6.2數(shù)值方法問題的求解區(qū)域?yàn)殚_口的球體,雖然求解區(qū)域十分規(guī)則,但用規(guī)則的網(wǎng)格剖分卻很困難。本文采用擬極坐標(biāo)對(duì)區(qū)域劃分,圖2是剖分后的截面圖。方程的差分在空間上采用有限體積法,基本的計(jì)算單元為一不規(guī)則的六面體。規(guī)定3

16、個(gè)獨(dú)立的有向單元面,面矢量的正向規(guī)定為由本單元內(nèi)指向外。實(shí)際上這3個(gè)矢量構(gòu)成單元局部坐標(biāo)系。有了求解的基本方程組和方程差分方法,再加上適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件,便可對(duì)問題進(jìn)行求解。7、過濾機(jī)理的理論分析 7.1微觀單元中的流場及微粒運(yùn)動(dòng)軌跡 為了了解微觀單元的流場情況和微粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律,圖3給出了計(jì)算區(qū)域?qū)ΨQ平面上的速度場分布和微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖3b中微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡由細(xì)到粗分別對(duì)應(yīng)直徑為0。24Lm、0。42Lm、0。75Lm及8Lm的微粒?？梢钥闯?微粒越小,其運(yùn)動(dòng)軌跡與流線越接近；而大尺寸微粒由于慣性較大,其運(yùn)動(dòng)軌跡受流場的影響較小。計(jì)算表明,直徑為8Lm的微粒運(yùn)動(dòng)軌跡基本上呈直線,只有在近壁處由于氣流

17、的速度梯度較大,運(yùn)動(dòng)方向才稍有改變。粒徑在1。0Lm以下的微粒運(yùn)動(dòng)到壁面的幾率比較小。而測量表明,柴油機(jī)排氣微粒的粒徑在0。01Lm1。0Lm之間,大于1。0Lm的微粒很少,因此單個(gè)過濾單元的過濾效率很低。但過濾體是由許多微孔組成的,當(dāng)這些微孔串連起來時(shí),過濾效率便呈幾何級(jí)數(shù)上升。7.2流速對(duì)過濾效率的影響 流速是過濾器設(shè)計(jì)中的一個(gè)十分重要的參數(shù),是確定過濾器橫截面尺寸的主要依據(jù)。由于目前尚無這方面的理論,在確定過濾器尺寸時(shí)沒有考慮到流速對(duì)過濾效率的影響。本文計(jì)算不同流速下擴(kuò)散過濾效率及慣性碰撞過濾效率,就是為了研究流速對(duì)過濾效率的影響,為過濾器的設(shè)計(jì)和過濾體的研制提供理論依據(jù)。圖4是不同流速

18、下微粒的擴(kuò)散捕集效率曲線,給出了流速對(duì)0。133Lm、0。422Lm兩種微粒擴(kuò)散捕集效率的影響。隨著流速的提高,擴(kuò)散捕集效率有所下降,但當(dāng)流速達(dá)到10 m/s時(shí),擴(kuò)散效率又有所上升。圖5是不同流速下微粒的慣性碰撞捕集效率曲線,給出了流速對(duì)0。24Lm、2。0Lm兩種微粒慣性碰撞捕集效率的影響?？梢钥闯?流速為2 m/s時(shí),小微粒的捕集效率高于大微粒,隨著流速的提高,兩種微粒的捕集效率都有所降低；當(dāng)流速高于6 m/s時(shí),大微粒的捕集效率迅速上升,而小微粒的捕集效率繼續(xù)下降。流速對(duì)微粒慣性碰撞捕集效率的影響十分復(fù)雜。一方面,隨著流速的提高,微粒具有更大的動(dòng)量而難以改變其運(yùn)動(dòng)方向,因此容易在氣流轉(zhuǎn)向

19、時(shí)碰壁而被捕集；另一方面,流速提高后氣流的輸運(yùn)能力也隨之提高,能夠攜帶更大的粒子,尤其是微觀單元近壁處的速度梯度與氣流的平均速率密切相關(guān),而由速度梯度引起的Saffman力會(huì)阻止微粒撞擊壁面。微粒能否撞擊壁面而被捕集受以上兩方面因素綜合作用的影響。7.3微粒大小對(duì)過濾效率的影響圖6是不同微粒在不同流速時(shí)慣性碰撞捕集效率隨微粒尺寸變化的曲線。從圖中可以看出,當(dāng)微粒的粒徑小于1。0Lm時(shí),捕集效率變化不大；當(dāng)粒徑大于1。0Lm時(shí),捕集效率迅速上升。不同流速下上升的趨勢大致相同,速度越高,這種上升越明顯。圖7給出了不同大小微粒的擴(kuò)散效率。隨著微粒直徑的增大,捕集效率迅速下降,當(dāng)微粒大于0。5Lm時(shí),

20、捕集效率的下降變得緩慢。泡沫陶瓷參數(shù)對(duì)過濾效率的影響設(shè)計(jì)過濾器時(shí),還要對(duì)過濾體的微觀參數(shù)進(jìn)行選擇。影響過濾體過濾效率的微觀參數(shù)很多,其中最為主要的是微孔尺寸。圖8給出了0。5 mm、1。0 mm、2。0mm三種微孔尺寸下微粒的分級(jí)慣性碰撞捕集效率。計(jì)算時(shí)入口的邊界速度相同,因此不同尺寸微孔內(nèi)部速度分布不同,尤其是速度梯度相差很大,因此與微孔近壁處速度梯度密切相關(guān)的Saffman力成了影響微粒捕集的重要因素。微粒受到的Saffman力與其體積和氣體的速度梯度成正比。對(duì)于小微粒,其受到的Saffman力較小,因此微孔尺寸變化時(shí),其捕集效率變化不大。對(duì)于大微粒,當(dāng)微孔尺寸增大時(shí),由于孔內(nèi)速度梯度減小

21、,微粒所受到的Saffman力也隨之減小,致使捕集效率明顯提高。但微孔尺寸增大時(shí),由于微粒與壁面的距離相對(duì)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來提高微粒的慣性碰撞捕集效率是受限制的。圖9是不同微孔尺寸下微粒的分級(jí)擴(kuò)散捕集效率?？梢钥闯?擴(kuò)散捕集效率的變化不像慣性碰撞捕集效率那樣變化復(fù)雜,微孔尺寸越大,捕集效率越低,對(duì)不同粒徑的微粒都出現(xiàn)了相同的規(guī)律。7.4結(jié)論(1)隨著流速的提高,微粒的慣性碰撞捕集效率逐漸降低。當(dāng)流速達(dá)到一定值時(shí),大微粒的捕集效率將迅速上升,而小微粒的捕集效率繼續(xù)降低。(2)當(dāng)粒徑小于1。0Lm時(shí),慣性捕集效率隨微粒粒徑的變化不大；當(dāng)粒徑大于1。0Lm時(shí),

22、慣性碰撞捕集效率隨微粒粒徑的增大而迅速上升。當(dāng)微粒的粒徑增大時(shí),擴(kuò)散捕集效率迅速下降,但增大到0。5Lm時(shí),下降速率變得緩慢。(3)微孔直徑越大,擴(kuò)散捕集效率越低。(4)微粒在微孔壁附近所受到的Saffman力對(duì)微粒的捕集起了阻礙的作用。8泡沫陶瓷在環(huán)境治理中的應(yīng)用8.1在水處理中的應(yīng)用 泡沫陶瓷在水處理中可以作為過濾器，用其替代目前國內(nèi)水處理行業(yè)中使用的石英砂過濾材料，可大幅度提高水處理效率，減少環(huán)境污染，降低水處理成本。泡沫陶瓷的過濾是集吸咐、表面過濾和深層過濾于一體，且以深層過濾為主的一種過濾方式。由于泡沫陶瓷具有充分發(fā)育的孔結(jié)構(gòu)，比表面積較大，能夠吸附水中微小的懸浮物，主要以物理吸附為

23、主。表面過濾主要發(fā)生在過濾介質(zhì)的表面，泡沫陶瓷起到一種篩濾的作用，大于微孔孔徑的顆粒被截留，被截留的顆粒在過濾介質(zhì)表面產(chǎn)生架橋現(xiàn)象，形成了一層濾膜。這層濾膜也能起到重要的過濾作用，可防止雜質(zhì)進(jìn)入過濾層內(nèi)部將微孔很快堵塞。深層過濾發(fā)生在泡沫陶瓷內(nèi)部，由于泡沫陶瓷孔道的遷回，加上流體介質(zhì)在顆粒表面形成的拱橋效應(yīng)、慣性沖撞如布朗運(yùn)動(dòng)的影響，因此，其過濾精度比本身孑L徑小得多，當(dāng)過濾液體介質(zhì)時(shí)，泡沫陶瓷的過濾精度約為其本身孑眼的1/10一1/S。 以氧化鋁為材料制成的微孔泡沫陶瓷，可除去水中雜質(zhì)、細(xì)菌、微生物、重金屬離子等，并具有抗菌、殺菌防霉、除臭功能。其主要技術(shù)指標(biāo):孔徑為3一Gum(滲濾)，孔徑

24、60%；除菌效果:大腸桿菌3個(gè)/L，雜菌總數(shù)100個(gè)/mL，同時(shí)因其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無對(duì)人體有害物質(zhì)，因此可用于飲料、注射用水等高純液體的初步過濾。 泡沫陶瓷過濾器因具有耐腐蝕的優(yōu)良勝能，可大量用于污水處理用布?xì)庋b置。在進(jìn)行污水處理時(shí)常采用活性污泥法，這種方法的核心音附是曝氣工藝過程。使用泡沫陶瓷可將氣體均勻分散到液體中，在污水中將空氣吹成小氣泡，促進(jìn)空氣中氧的溶解，使兩相接觸面積增大，加速需氧細(xì)菌對(duì)污染物的分解、凝聚和沉淀作用。目前活性污泥法處理城市污水中使用的多孔陶瓷布?xì)庋b置就比較成功，不僅布?xì)庑Ч茫沂褂脡勖L。 張優(yōu)茂將泡沫陶瓷作為廢水生物膜法中生物膜的載體，研究了泡沫陶瓷填料的掛膜

25、性能以及對(duì)模擬生物廢水的處理效果。試驗(yàn)填料的尺寸為25 x 10 x 5mm(外徑x高x厚)，比表面積為2775時(shí)/m3，孔隙率為91%，堆積密度為234。2kg/畝，抗壓強(qiáng)度為1。83比/cm2。模擬污水的COD濃度為150一400mg/L, COD:N:P=100:5:1。試驗(yàn)結(jié)果表明，泡沫陶瓷填籍釗的掛膜住能良好，掛膜(小流量進(jìn)水)第三天CO工的去除率為90。9%。與其它應(yīng)用于曝氣生物濾池的填料(天然沸石、活性炭)相比，泡沫陶瓷填料在去除COD方面具有較明顯的優(yōu)勢。 鄒冠生等以膨潤土、陶土、滑石粉和稀土氧化物為主要原料，用聚氨醋泡沫塑料作載體，制作成一種泡沫陶瓷吸附劑，其比表面達(dá)7。85

26、 x lO4cm2/g，對(duì)溶液中鉻的吸附和對(duì)污水的脫色處理進(jìn)行了初步試驗(yàn)，結(jié)果表明該泡沫陶瓷吸附劑能使含鉻濃度由1000 a g/L降至400 a g/L,能使污水色度降低1/80鍋爐濕法除塵廢水中含有大量懸浮狀態(tài)的粉謀灰和未燃盡的微小炭粒并由于吸收了SOZ, COZ, NOZ等氣體而呈酸性，它與熱電廠水力沖渣廢水一樣都是弱酸性高濃度的廢水，懸浮物SS濃度高、灰渣量大處理難度大，用泡沫陶瓷處理后能達(dá)到相關(guān)國家排放標(biāo)準(zhǔn)。如徐奇煥報(bào)道的武昌電廠采用微孔泡沫陶瓷板處理火電廠沖渣廢水的工藝，廢水通過微孔泡沫陶瓷板過濾處理后，懸浮物SS凈化率可達(dá)91%一97%，化學(xué)需氧量COD去除率為89%一95%，出

27、水懸浮物濃度為10一15mg/L，達(dá)到了一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。 李方文等將自制的泡沫陶瓷經(jīng)親油和疏油表面改性后，采用聚結(jié)過濾工藝處理含油廢水取得了滿意的結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明:油的去除率達(dá)90%以上，SS的去除率達(dá)96%，出水能滿足SY/T5329-1994標(biāo)準(zhǔn)中的A1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即含油量。S。Omg/L,懸浮物。1。 Omg/L。8.2在廢氣處理中的應(yīng)用 傳統(tǒng)的吸附工業(yè)廢氣主要可分為重力慣性除塵、濕法除塵、電除塵和過濾除塵等方法。由于濕法凈化回收系統(tǒng)存在著能耗高、二次污染的缺點(diǎn)，所以有逐漸被干法代替的趨勢。在我國以往對(duì)廢氣的過濾除塵，大多采用玻璃纖維或改性玻璃纖維作過濾材料，由于這些過濾材料耐溫較低(不能高

28、于400 0C)并且操作不當(dāng)容易造成纖維袋被高溫氣體擊穿等問題，所以耐高溫、抗熱震姬宏杰等采取一種新的工藝流程，模擬高溫焦?fàn)t煤氣除塵。試驗(yàn)用基本尺寸為50 X 50 X 20mm的5塊泡沫陶瓷片，采用分層過濾、逐層堵塞方案。其中，第1片和第3片陶瓷靠近邊緣的地方有一對(duì)稱的直徑為4mm的孔；第2片和第4片陶瓷的中央有直徑為5mm的孔；第5片陶瓷沒有孔，完全過濾。結(jié)果表明:試驗(yàn)取得了良好的過濾效果，并且避免了傳統(tǒng)工藝不能長時(shí)間工作的弊端。8.3在吸聲降噪方面的應(yīng)用 隨著社會(huì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們在工作、學(xué)習(xí)和生活中，對(duì)聲環(huán)境的要求已經(jīng)愈來愈高。噪聲對(duì)人們的聽力、睡眠、生理、心理等方面都會(huì)造成

29、很大的影響和危害，社會(huì)上對(duì)吸聲材料的需求量更是呈現(xiàn)出迅猛增長之勢，同時(shí)也對(duì)吸聲材料的性能提出了更高、更多的要求。吸聲材料特別是地鐵、公路兩側(cè)的吸聲材料應(yīng)持久耐用、防水、阻燃且使用壽命長；不含石棉、礦物纖維、聚苯乙烯以及具有腐蝕性的物質(zhì)；材料的散火值、冒煙值及易燃值應(yīng)為零；應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和良好的抗氣流沖擊能力。 泡沫陶瓷具有大量的、從表到里的三維互相貫通的網(wǎng)狀小孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)聲波入射到材料表面時(shí)，絕大音卜分的聲波會(huì)沿著迷宮式的小孔隧道進(jìn)入泡沫陶瓷內(nèi)部。聲波在泡沫陶瓷內(nèi)部傳播會(huì)引起孔隙中的空氣振動(dòng)，同形成孑L隙的表面十分粗糙的陶瓷筋絡(luò)發(fā)生摩擦，一部分聲能被轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?；一部分聲能到達(dá)剛性壁后，被反射回泡

30、沫陶瓷，聲波又會(huì)像初次入射聲一樣重新回到迷宮式的小孔隧道中，帶動(dòng)空氣與陶瓷筋絡(luò)發(fā)生摩擦，聲能繼續(xù)被轉(zhuǎn)化、消耗。這兩種效應(yīng)相互作用，使泡沫陶瓷可有效地消耗入射聲能，獲得良好的吸聲效果。泡沫陶瓷用作吸聲材料具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)重量輕、強(qiáng)度高、中低頻吸聲性能優(yōu)良、經(jīng)久耐用、安全可靠、結(jié)構(gòu)形式靈活、施工安裝簡便；(2)特別適合在高溫、潮濕的環(huán)境下使用，常年經(jīng)受風(fēng)吹、日曬、雨淋，不會(huì)改變自身的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和吸聲性能；(3)能很好地吸收因反射而產(chǎn)生的混響聲；(4)具有良好的防火性，性價(jià)比高。9、問題及展望泡沫陶瓷的研究與開發(fā)已經(jīng)受到人們的普遍關(guān)注，許多應(yīng)用在技術(shù)上已經(jīng)成為可能。近年來隨著泡沫陶瓷制備工藝和性能

31、等各方面的進(jìn)展，以及泡沫陶瓷在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益 ；同時(shí)，在航空航天、軍事裝備、金屬陶瓷復(fù)合材料等新的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)泡沫陶瓷材料的需求更加迫切，并且對(duì)其性能提出了更高的要求。為了更好的利用泡沫陶瓷材料，存在的一些問題我們也絕對(duì)不能忽視。首先，通過優(yōu)化工藝配方和工藝過程，制備高孔隙率高強(qiáng)泡沫陶瓷材料，提高材料氣孔均勻性。氣孔率和孔徑是泡沫陶瓷材料的主要微孔性能指標(biāo)，在滿足其它強(qiáng)度的情況下，適當(dāng)提高材料的氣孔率，可以大幅度提高材料的透氣性能，降低單位面積材料的流體透過阻力，提高過濾效率。為此可以通過在泡沫陶瓷基體中引入陶瓷纖維，或通過采用編制陶瓷纖維利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)來制

32、備高孔隙率、高強(qiáng)的陶瓷纖維復(fù)合泡沫陶瓷材料。其次，應(yīng)加強(qiáng)多功能性泡沫陶瓷復(fù)合材料的研究?，F(xiàn)有的泡沫陶瓷材料功能單一，尤其用做過濾材料的泡沫陶瓷材料，其過濾機(jī)理基本以物理過濾為主，今后若能采用陶瓷材料復(fù)合技術(shù)或嫁接技術(shù)制備一些多功能性陶瓷材料，如采用納米抗菌功能材料與微孔制備技術(shù)結(jié)合，研制開發(fā)具抗菌和凈化功能的微孔陶瓷材料 ；采用陶瓷金屬復(fù)合技術(shù)，制備具有選擇吸收、催化功能的泡沫陶瓷材料 ；采用無機(jī)和有機(jī)材料復(fù)合技術(shù)制備其他一些電傳導(dǎo)膜、生物反應(yīng)膜等，這對(duì)擴(kuò)大泡沫陶瓷材料的應(yīng)用范圍有重要意義。最后，應(yīng)加大泡沫陶瓷材料的應(yīng)用技術(shù)研究。目前國內(nèi)從事泡沫陶瓷材料研究工作者大多數(shù)只注重于材料本身性能的研

33、究，而缺乏對(duì)材料應(yīng)用性能的研究。事實(shí)上，泡沫陶瓷的應(yīng)用技術(shù)，包括過濾技術(shù)、材料的清洗再生技術(shù)、過濾系統(tǒng)的優(yōu)化等是一門很深的學(xué)問，泡沫陶瓷材料推廣應(yīng)用一方面取決于材料本身優(yōu)良的性能，而另一方面更大程度取決于材料應(yīng)用技術(shù)水平的提高。因此，要提高我國的泡沫陶瓷材料的產(chǎn)業(yè)化水平，就必須加強(qiáng)材料應(yīng)用性能的研究，建立相應(yīng)的應(yīng)用研究平臺(tái)，并加強(qiáng)企業(yè)和研究單位之間的技術(shù)交流與合作。綜上所述，要研制各方面性能優(yōu)良的泡沫陶瓷材料，還需要廣大科研工作者和企業(yè)共同努力?？傊谝院蟮墓ぷ髦?，我們要發(fā)揮優(yōu)勢、突出重點(diǎn)，結(jié)合目前國內(nèi)泡沫陶瓷材料發(fā)展實(shí)際狀況和需求，重點(diǎn)開發(fā)陶瓷微過濾材料、陶瓷膜過濾材料、高溫氣體過濾材料及

34、高溫氣體催化分離材料及裝備技術(shù)，以滿足目前國內(nèi)能源、化工、環(huán)保和水處理行業(yè)的需要，提高國內(nèi)的過濾與分離技術(shù)水平。參 考 文 獻(xiàn)1Casfledine T J。 Use of filter materials in gatingsystems J。 Foundry Trade Journal, 1985, (6): 15 212Khan P R, Su W M。 Flow of ductile iron throughceramic filters and the effects on the dross and fatigueproperties J。 AFS Transactions, 19

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