一种铁尾矿多孔陶瓷材料及其制备方法

摘要

本发明公开一种铁尾矿多孔陶瓷材料及其制备方法。该陶瓷材料的特征在于其重量百分比组成为：铁尾矿45～65%、氧化铝8～11%、碳酸钙5～12%、碳酸钠5～11%、粘土5～10%、二氧化硅4～8%以及成孔剂3～8%;铁尾矿主要成分为：SiO230～35%、Fe2O320～25%、Al2O310～15%、TiO2 10～15%及少量的CaO、Na2O和MgO；成孔剂为炭黑、纤维素和淀粉中的一种；经XRD表征，陶瓷材料的主要成分为钙长石与钠长石的固溶体。该制备方法以铁尾矿、氧化铝、碳酸钙、碳酸钠等为主要原料,经球磨、过筛、配料、搅拌、干燥、混合、干压成型、烧结后，即制得铁尾矿多孔陶瓷材料。

权利要求

1.一种铁尾矿多孔陶瓷材料，其特征在于该材料的原料的重量百分比组成为，铁尾矿

45～65%、氧化铝8～11%、碳酸钙5～12%、碳酸钠5～11%、粘土5～10%、二氧化硅4～

8%以及成孔剂3～8%，各组分之和为100%；所述成孔剂为炭黑、纤维素和淀粉中的一种；所述铁尾矿成分为：SiO230～35％、Fe2O320～25％、Al2O310～15％、TiO210～15％及少量的CaO、Na2O和MgO，各组分之和为100％；经XRD表征，所述陶瓷材料的主要成分为钙长石与钠长石的固溶体；所述铁尾矿多孔陶瓷材料的制备方法包含以下步骤：A、将铁尾矿放入球磨机中球磨60～90min，球磨后过350目筛，获得铁尾矿粉体；

B、取重量45～65%步骤A中得到的铁尾矿粉体，再添加重量为8～11%的氧化铝、5～

12%的碳酸钙、5～11%的碳酸钠、5～10%的粘土、4～8%的二氧化硅和3～8%的成孔剂，各组分之和为100%，以及上述原料重量15～25%的水，混合并持续搅拌30min；

C、将步骤B中的混料放入烘箱中，于120℃条件下烘干2～4h；

D、将步骤C烘干后的物料球磨20～30min，过200目筛；

E、将步骤D中的混料压制成型，制得陶瓷坯体，成型压力为15～20MPa；

F、将步骤E中的陶瓷坯体放入烧结炉中烧结，最终制得铁尾矿多孔陶瓷材料所述烧结温度为1200～1300℃，保温1～2h，升温速率为1.5～3.0℃/min。

2.一种权利要求1所述铁尾矿多孔陶瓷材料的制备方法，该制备方法包含以下工艺步骤：A、将铁尾矿放入球磨机中球磨60～90min，球磨后过350目筛，获得铁尾矿粉体；

B、取重量45～65%步骤A中得到的铁尾矿粉体，再添加重量为8～11%的氧化铝、5～

12%的碳酸钙、5～11%的碳酸钠、5～10%的粘土、4～8%的二氧化硅和3～8%的成孔剂，各组分之和为100%，以及上述原料重量15～25%的水，混合并持续搅拌30min；

C、将步骤B中的混料放入烘箱中，于120℃条件下烘干2～4h；D、将步骤C烘干后的物料球磨20～30min，过200目筛；

E、将步骤D中的混料压制成型，制得陶瓷坯体，成型压力为15～20MPa；

F、将步骤E中的陶瓷坯体放入烧结炉中烧结，最终制得铁尾矿多孔陶瓷材料，所述烧结温度为1200～1300℃，保温1～2h，升温速率为1.5～3.0℃/min。

说明书

一种铁尾矿多孔陶瓷材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于陶瓷技术领域，具体涉及一种铁尾多孔陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 铁矿尾矿是矿山在开采分选矿石之后排放的暂时不能利用的固化或粉料废料,包括矿山尾矿和选矿厂尾矿。统计表明，我国铁矿山每年排放铁尾矿达到1.5亿吨，大约占铁矿石总量的60％左右，累计堆存铁尾矿总量近20亿吨，但综合利用率还不到20％。大量废弃的铁尾矿不仅占用土地，造成了资源浪费，而且给人类生活环境带来了严重的污染和危害，同时造成生态平衡破坏等问题。因此，如何合理有效利用铁尾矿已成为了国内外共同关注的问题。

[0003] 按照铁矿尾矿的矿物组成,一般将其分为4种类型:高硅型、高铝型、高钙镁型和低钙镁铝硅型。其主要矿物组分是脉石矿物如石英、辉石、长石、石榴石、角闪石及其蚀变矿物。其化学成分主要含SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaO，MgO等，还含有少量K2O，Na2O以及S，P等元素。我国铁尾矿的利用主要集中在建筑材料、水泥、玻璃、耐火材料等生产方面。而利用铁尾矿研制陶瓷打破了以粘土为原料的传统做法，在有效利用废弃尾矿、减轻环境压力的同时，也使陶瓷性能得到了很大的改善。但从目前的情况来看，主要表现在小范围烧制陶粒、陶瓷釉料和尾矿卫生洁具等，尚未利用尾矿开展大规模陶瓷工艺生产的生产线。

[0004] 多孔陶瓷由于具有透过性高、比表面积大、低密度、低热传导率以及耐高温、耐腐蚀等优点而被应用于汽车尾气处理，工业污水处理，熔融金属过滤，催化剂载体，隔热隔音材料等。目前制备多孔陶瓷的原料主要是A1203、ZTA、SiC、莫来石和镁铝尖晶石等优质合成原料,使多孔陶瓷的生产成本和能耗较高。例如，中国专利《一种新型泡沫陶瓷材料的制备工艺及应用》(CN102442833A)主要以碳化硅、二硼化锆、聚碳硅烷、金刚砂、白云石等为主要原料制备泡沫陶瓷；美国专利《CERAMIC HONEYCOMB STRUCTURES》(US2010/0300053A1)公布了一种以南非红柱石、石墨和钛酸铝为主要原料烧成的蜂窝陶瓷；日本专利《CERAMIC HONEYCOMB FILTER》(JP57042316A)以堇青石和莫来石结合的方法制备蜂窝陶瓷过滤片。上述多孔陶瓷的制备过程中，对非可再生资源的依赖性较大，加重了矿产资源的消耗以及产品的生产成本。目前，已有将尾矿制备多孔陶瓷的报道，虽然涉足较少，但已略有成效。
例如，专利《一种利用固体废弃物制备泡沫陶瓷及其方法》(CN103011888A)中以煤矸石、磷尾矿、长石以及黄沙等为主要原料，利用模压成型法制备了一种泡沫陶瓷；此外，专利号CN102718547A介绍了一种发泡陶瓷材料及其制备方法，以尾矿和长石为主要原料，采用分段升温曲线，通过烧制膨化最终制备一种发泡陶瓷。虽然上述专利对尾矿在多孔陶瓷制备方面进行了研究，但就其应用方面，即该多孔陶瓷的功能研究却未见报道。

发明内容

[0005] 本发明是为了解决现有技术中铁尾矿材料在陶瓷生产方面利用率低以及多孔陶瓷的制备及应用方面存在明显不足，而提出的一种铁尾矿多孔陶瓷材料及其制备方法。目的在于充分利用废弃尾矿、提高资源利用率、降低多孔陶瓷的生产成本。该方法工艺简单，使用设备少，成本低廉。

[0006] 本发明解决所述陶瓷材料技术问题采取的技术方案是：设计一种铁尾矿多孔陶瓷材料，其特征在于该材料的重量百分比组成为：铁尾矿45～65％、氧化铝8～11％、碳酸钙5～12％、碳酸钠5～11％、粘土5～10％、二氧化硅4～8％以及成孔剂3～8％，各组分之和为100％；所述铁尾矿主要成分为：SiO230～35％、Fe2O320～25％、Al2O310～15％、TiO210～15％及少量的CaO、Na2O和MgO，各组分之和为100％；所述成孔剂为炭黑、纤维素和淀粉中的一种；经XRD表征，所述陶瓷材料的主要成分为钙长石与钠长石的固溶体。

[0007] 本发明解决所述制备方法技术问题采取的技术方案是：设计一种铁尾矿多孔陶瓷材料的制备方法，该制备方法采用本发明所述铁尾矿多孔陶瓷材料的重量百分比组成和以下工艺步骤：

[0008] A、将铁尾矿放入球磨机中球磨60～90min，球磨后过350目筛，获得铁尾矿粉体；

[0009] B、取重量45～65％步骤A中得到的铁尾矿粉体，再添加重量为8～11％的氧化铝、5～12％的碳酸钙、5～11％的碳酸钠、5～10％的粘土、4～8％的二氧化硅和3～8％的成孔剂，各组分之和为100％，以及上述原料重量15～25％的水，混合并持续搅拌
30min；

[0010] C、将步骤B中的混料放入烘箱中，于120℃条件下烘干2～4h；

[0011] D、将步骤C烘干后的物料球磨20～30min，过200目筛；

[0012] E、将步骤D中的混料压制成型，制得陶瓷坯体，成型压力为15～20MPa；

[0013] F、将步骤E中的陶瓷坯体放入烧结炉中烧结，最终制得铁尾矿多孔陶瓷材料。

[0014] 本发明以铁尾矿替代堇青石、莫来石、碳化硅等合成原料制备多孔陶瓷，其中铁尾矿的利用率高达65％，降低了多孔陶瓷工业化生产成本的同时，也减少了固体废物的排放，提高了资源的利用效率；在制备工艺方面，与其他多孔陶瓷相比，该陶瓷材料具有烧成温度低，生产周期短等特点；烧结过程中，形成钙长石与钠长石的固溶体，不仅能够增大多孔陶瓷的强度，而且能够提高多孔陶瓷的红外发射能力，将其与水作用一小时后，水的表面张力值降低，最大降低率为5％(参见实施例4)。本发明制备方法工艺简单，使用设备少，成本低廉，适于工业化应用。

附图说明

[0015] 图1为本发明实施例2制得的铁尾矿多孔陶瓷材料烧结后的XRD图。

[0016] 图2为本发明实施例3制得的铁尾矿多孔陶瓷材料烧结后的扫描图。

[0017] 图3为本发明实施例4制得的铁尾矿多孔陶瓷材料与水作用一小时后水的表面张力变化图。

具体实施方式

[0018] 以下结合实施例及附图进一步叙述本发明：

[0019] 本发明设计的一种铁尾矿多孔陶瓷材料(简称陶瓷材料，参见图1-3)，其特征在于该材料的重量百分比组成为：铁尾矿45～65％、氧化铝8～11％、碳酸钙5～12％、碳酸钠5～11％、粘土5～10％、二氧化硅4～8％以及成孔剂3～8％，各组分之和为100％；所述铁尾矿主要成分为：SiO230～35％、Fe2O320～25％、Al2O310～15％、TiO210～15％及少量的CaO、Na2O和MgO，各组分之和为100％；所述成孔剂为炭黑、纤维素和淀粉中的一种；
经XRD表征，所述陶瓷材料的主要成分为钙长石与钠长石的固溶体。

[0020] 本发明主要以铁尾矿、氧化铝、碳酸钙、碳酸钠等为主要原料，经球磨、过筛、配料、搅拌、干燥、混合、干压成型、烧结后，即制得铁尾矿多孔陶瓷材料。具体说，本发明制备方法采用本发明所述铁尾矿多孔陶瓷材料的重量百分比组成和以下工艺步骤：

[0021] A、将铁尾矿放入球磨机中球磨60～90min，球磨后过350目筛，获得铁尾矿粉体；

[0022] B、取重量45～65％步骤A中得到的铁尾矿粉体，再添加重量为8～11％的氧化铝、5～12％的碳酸钙、5～11％的碳酸钠、5～10％的粘土、4～8％的二氧化硅和3～8％的成孔剂，各组分之和为100％，以及上述原料重量15～25％的水，混合并持续搅拌
30min；

[0023] C、将步骤B中的混料放入烘箱中，于120℃条件下烘干2～4h；

[0024] D、将步骤C烘干后的物料球磨20～30min，过200目筛；

[0025] E、将步骤D中的混料压制成型，制得陶瓷坯体，成型压力为15～20MPa；

[0026] F、将步骤E中的陶瓷坯体放入烧结炉中烧结，最终制得铁尾矿多孔陶瓷材料。

[0027] 本发明制备方法的进一步特征是，所述步骤F中烧结温度为1200～1300℃，保温1～2h，升温速率为1.5～3.0℃/min。

[0028] 本发明未述及之处适用于现有技术。

[0029] 以下给出具体实施例，进一步描述本说明。

[0030] 实施例1

[0031] 设计一种铁尾矿制备多孔陶瓷的制备方法，该制备方法采用以下工艺：

[0032] A、将铁尾矿放入球磨机中球磨60min，球磨后过350目筛，获得铁尾矿粉体；

[0033] B、取重量45％步骤A中得到的铁尾矿粉体，再添加重量为11％的氧化铝、12％的碳酸钙、11％的碳酸钠、10％的粘土、8％的氧化硅和3％的纤维素，各组分之和为100％，以及上述原料重量25％的水，混合并持续搅拌30min；

[0034] C、将步骤B中的混料放入烘箱中，于120℃条件下烘干4h；

[0035] D、将步骤C烘干后的物料球磨30min，过200目筛；

[0036] E、将步骤D中的混料压制成型，制得陶瓷坯体，成型压力为20MPa；

[0037] F、将步骤E中的陶瓷坯体放入烧结炉中烧结，烧结温度为1300℃，保温1h，升温速率为3℃/min，最终制得铁尾矿多孔陶瓷材料。

[0038] 本实施例制备方法制得的铁尾矿多孔陶瓷材料，与去离子水作用一小时后，水的表面张力值降低0.97％。

[0039] 实施例2

[0040] 设计一种铁尾矿制备多孔陶瓷的制备方法，该制备方法采用以下工艺：

[0041] A、将铁尾矿放入球磨机中球磨70min，球磨后过350目筛，获得铁尾矿粉体；

[0042] B、取重量50％步骤A中得到的铁尾矿粉体，再添加重量为10％的氧化铝、10％的碳酸钙、10％的碳酸钠、9％的粘土、6％的氧化硅和5％的淀粉，各组分之和为100％，以及上述原料重量20％的水，混合并持续搅拌30min；

[0043] C、将步骤B中的混料放入烘箱中，于120℃条件下烘干3h；

[0044] D、将步骤C烘干后的物料球磨25min，过200目筛；

[0045] E、将步骤D中的混料压制成型，制得陶瓷坯体，成型压力为20MPa；

[0046] F、将步骤E中的陶瓷坯体放入烧结炉中烧结，烧结温度为1250℃，保温1h，升温速率为2℃/min，最终制得铁尾矿多孔陶瓷材料。

[0047] 本实施例制备方法制得的铁尾矿多孔陶瓷材料，与去离子水作用一小时后，水的表面张力值降低2.2％。

[0048] 实施例3

[0049] 设计一种铁尾矿制备多孔陶瓷的制备方法，该制备方法采用以下工艺：

[0050] A、将铁尾矿放入球磨机中球磨80min，球磨后过350目筛，获得铁尾矿粉体；

[0051] B、取重量55％步骤A中得到的铁尾矿粉体，再添加重量为9％的氧化铝、9％的碳酸钙、9％的碳酸钠、7％的粘土、5％的氧化硅和6％的炭黑，各组分之和为100％，以及上述原料重量20％的水，混合并持续搅拌30min；

[0052] C、将步骤B中的混料放入烘箱中，于120℃条件下烘干3h；

[0053] D、将步骤C烘干后的物料球磨25min，过200目筛；

[0054] E、将步骤D中的混料压制成型，制得陶瓷坯体，成型压力为15MPa；

[0055] F、将步骤E中的陶瓷坯体放入烧结炉中烧结，烧结温度为1250℃，保温1h，升温速率为2℃/min，最终制得铁尾矿多孔陶瓷材料。

[0056] 本实施例制备方法制得的铁尾矿多孔陶瓷材料，与去离子水作用一小时后，水的表面张力值降低3.4％。

[0057] 实施例4

[0058] 设计一种铁尾矿制备多孔陶瓷的制备方法，该制备方法采用以下工艺：

[0059] A、将铁尾矿放入球磨机中球磨90min，球磨后过350目筛，获得铁尾矿粉体；

[0060] B、取重量65％步骤A中得到的铁尾矿粉体，再添加重量为8％的氧化铝、5％的碳酸钙、5％的碳酸钠、5％的粘土、4％的氧化硅和8％的炭黑，各组分之和为100％，以及上述原料重量15％的水，混合并持续搅拌30min；

[0061] C、将步骤B中的混料放入烘箱中，于120℃条件下烘干2h；

[0062] D、将步骤C烘干后的物料球磨20min，过200目筛；

[0063] E、将步骤D中的混料压制成型，制得陶瓷坯体，成型压力为15MPa；

[0064] F、将步骤E中的陶瓷坯体放入烧结炉中烧结，烧结温度为1200℃，保温2h，升温速率为1.5℃/min，最终制得铁尾矿多孔陶瓷材料。

[0065] 本实施例制备方法制得的铁尾矿多孔陶瓷材料，与去离子水作用一小时后，水的表面张力值降低5％。