熔盐改性多孔碳化硅陶瓷的显微结构与性能-王伟

摘 要：利用无水硫酸铝和硫酸钠熔盐对多孔碳 化 硅 陶 瓷 进 行 了 表 面 改 性 处 理 ，研 究 了 熔 盐 反 应后的物相组成和显微结构，并 测 试 了 改 性 前 后 多 孔 碳 化 硅 陶 瓷 对 烟 气 中 ＰＭ２．５的 过 滤 性 能。 结 果表明：在９００ ℃下，硫酸铝、硫酸钠熔 盐 与 碳 化 硅 反 应 生 成 针 状 莫 来 石 晶 须，长 度 达 到 十 几 个 微 米，直径几百个纳米；熔盐改性多 孔 碳 化 硅 陶 瓷 将 柴 油 烟 气 中 ＰＭ２．５质 量 浓 度 由 大 于 ２８０μｇ·ｍ－３ 降低到小于１５０μｇ·ｍ－３，过滤效果优于未改性多孔碳化硅陶 瓷 的（２００μｇ·ｍ－３）；莫 来 石 晶 须 可 以 阻 挡 烟 气 中 颗 粒 物 的 运 动 ，使 其 沉 积 在 晶 须 间 ，提 高 了 多 孔 碳 化 硅 陶 瓷 对 烟 气 的 过 滤 性 能 。
１ 试 样 制 备 与 试 验 方 法
１．１ 试 样 制 备 试 验 原 料 主 要 有：十 八 水 硫 酸 铝，分 子 式 为
Ａｌ２（ＳＯ４）３·１８Ｈ２Ｏ，分析纯；无 水 硫 酸 钠，分 子 式 为 Ｎａ２ＳＯ４，分析纯，均 由 广 东 汕 头 陇 东 化 学 试 剂 有 限 公司 提 供。 碳 化 硅 粉，粒 径 ３００μｍ，纯 度 不 低 于 ９８％，郑州新华炉 料 科 技 有 限 公 司 产；氧 化 铝 粉，粒 径５０μｍ，纯度 不 低 于 ９９％，巩 义 市 明 悦 刚 玉 制 品 有限 公 司 产；氧 化 钇 粉，粒 径 ３０μｍ，纯 度 不 低 于 ９９％ ，子 美 国 际 贸 易 （上 海 ）有 限 公 司 提 供 。
微 结 构 ；根 据 文 献 ［１５］搭 建 烟 气 过 滤 性 能 测 试 平 台 ，
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｏｒｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ ｃｅｒａｍｉｃｓ ｗｅｒｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｗｉｔｈ ｍｏｌｔｅｎ ｓａｌｔｓ ｏｆ ａｎｈｙｄｒｏｕｓ
ａｌｕｍｉｎｕｍ ｓｕｌｆａｔｅ ａｎｄ ｓｏｄｉｕｍ ｓｕｌｆａｔｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｆｔｅｒ ｍｏｌｔｅｎ ｓａｌｔ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ＰＭ２．５ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｒｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ ｃｅｒａｍｉｃｓ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｗａｓ ｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｃｉｃｕｌａｒ ｍｕｌｌｉｔｅ ｗｈｉｓｋｅｒｓ ｗｉｔｈ ｌｅｎｇｔｈｓ ｏｆ ｏｖｅｒ ｔｅｎ ｍｉｃｒｏｎｓ ａｎｄ ｄｉａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ｈｕｎｄｒｅｄ ｎａｎｏｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｌｔｅｎ ｓａｌｔｓ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｓｕｌｆａｔｅ ａｎｄ ｓｏｄｉｕｍ ｓｕｌｆａｔｅ ｗｉｔｈ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ ａｔ ９００ ℃．Ｔｈｅ ｍａｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＭ２．５ｉｎ ｄｉｅｓｅｌ ｓｍｏｋｅ ｗａｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ ｏｖｅｒ ２８０μｇ·ｍ－３ ｔｏ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １５０μｇ·ｍ－３ ａｆｔｅｒ ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｂｙ ｔｈｅ ｍｏｌｔｅｎ ｓａｌｔ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｐｏｒｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ ｃｅｒａｍｉｃ，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｂｙ ｔｈｅ ｕｎｍｏｄｉｆｉｅｄ ｐｏｒｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ ｃｅｒａｍｉｃ （２００μｇ·ｍ－３ ）．Ｔｈｅ ｍｕｌｌｉｔｅ ｗｈｉｓｋｅｒｓ ｃａｎ ｂｌｏｃｋ ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｍａｔｔｅｒｓ ｉｎ ｄｉｅｓｅｌ ｓｍｏｋｅ ａｎｄ ｍａｋｅ ｔｈｅｍ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｗｈｉｓｋｅｒｓ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｍｏｋｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｒｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ ｃｅｒａｍｉｃｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｏｒｏｕｓ ｃｅｒａｍｉｃ；ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ；ｍｕｌｌｉｔｅ ｗｈｉｓｋｅｒ；ｍｏｌｔｅｎ ｓａｌｔ ｒｅａｃｔｉｏｎ；ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ
０ 引 言
多 孔 碳 化 硅 陶 瓷 具 有 价 格 低 廉 、高 温 强 度 好 、化 学稳定性高等优点，被 广 泛 应 用 于 化 工、机 械、环 保
入高温马弗炉中加热到９００ ℃反应２ｈ，随炉自然冷
却。将冷却后的坩 埚 放 入 蒸 馏 水 中，加 热 使 未 反 应
的 硫 酸 铝 、硫 酸 钠 溶 解 ，同 时 块 体 试 样 与 坩 锅 自 然 分
离 ，烘 干 后 得 到 改 性 多 孔 碳 化 硅 陶 瓷 。
１．２ 试 验 方 法
采用耐弛 ＳＴＡ ４０９Ｃ 型同步热分析仪对无水硫
酸 铝 、硫 酸 钠 和 碳 化 硅 混 合 粉 体 进 行 热 重 －差 热 分 析
（ＴＧ－ＤＳＣ），同 时 将 热 分 析 过 程 中 在 特 定 温 度 下 产
生的气体导入 Ｎｉｃｏｌｅｔ ５７００型红外光谱仪（ＩＲ）中进
行成分测定，分 析 该 熔 盐 反 应 过 程。 利 用 Ｄ／ＭＡＸ－
ＲＡ 型 Ｘ 射线粉末衍 射 仪 （ＸＲＤ）对 硫 酸 铝、硫 酸 钠
ＤＯＩ：１０．１１９７３／ｊｘｇｃｃｌ２０１６０６００４
２０１６年６月 第４０卷 第６期 Ｖｏｌ．４０Ｎｏ．６Ｊｕｎ．２０１６
熔盐改性多孔碳化硅陶瓷的显微结构与性能
王 伟１，朱航辉１，冯冬冬１，何文婷１，李红伟２ （长安大学 １．环境科学与工程学院，西安 ７１００５４；２．材料科学与工程学院，西安 ７１００６１）
等工业领域 。 ［１］ 该 陶 瓷 材 料 一 般 采 用 添 加 造 孔 剂， 再 经 过 高 温 烧 结 的 方 法 制 备 ，其 孔 隙 相 互 贯 通 ［２］，不 同的孔隙结构特征 决 定 了 其 不 同 的 应 用 领 域，如 微 米级孔隙可以过滤 分 离 粒 径 较 大 的 颗 粒 物；纳 米 级 孔隙可以实现超净 过 滤，甚 至 于 能 够 达 到 分 子 水 平 的精度。从多孔陶 瓷 材 料 的 烧 结 成 型 方 法 来 看，虽 然 有 反 应 烧 结［３－４］、重 结 晶 法［５－６］、模 板 法 和 ［７－８］ 助 剂粘结 等 ［９－１１］ 多种不 同 方 法，但 无 论 采 用 哪 种 方 法 烧结得到的孔隙结 构 均 较 单 一，陶 瓷 晶 粒 依 靠 粘 结 助剂高温融化后形 成 的 液 体 粘 结 成 整 体，液 体 的 表 面张力使材料的表面较光滑。当多孔陶瓷应用于颗
收 稿 日 期 ：２０１５－１１－０４；修 订 日 Байду номын сангаас ：２０１６－０４－２９ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目（５１２０２０１５）；教 育 部 留 学 回 国 人
员科研启动基金 资 助 项 目；陕 西 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （２０１６ＪＭ５０６５）；长 安 大 学 中 央 高 校 基 金 资 助 项 目 （３１０８２９１６１０１２）；大学生创新创业训练项目（２０１５１０７１０１４１） 作 者 简 介 ：王 伟 （１９７５－ ），男 ，陕 西 三 原 人 ，副 教 授 ，博 士 。
关 键 词 ：多 孔 陶 瓷 ；过 滤 ；莫 来 石 晶 须 ；熔 盐 反 应 ；表 面 改 性
中 图 分 类 号 ：ＴＢ３２１ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０００－３７３８（２０１６）０６－００１９－０５
Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｐｏｒｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｗｉｔｈ Ｍｏｌｔｅｎ Ｓａｌｔｓ
和碳化硅 粉 的 反 应 产 物 进 行 物 相 分 析，采 用 铜 靶，
Ｋα 射线，管电 压 ４０ｋＶ，管 电 流 １５０ ｍＡ，扫 描 速 率 １０（°）·ｍｉｎ－１；利 用 Ｓ－４８００ 型 扫 描 电 子 显 微 镜
（ＳＥＭ）观察 粉 体 和 改 性 前 后 多 孔 碳 化 硅 陶 瓷 的 显
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王 伟，等：熔盐改性多孔碳化硅陶瓷的显微结构与性能
粒物过滤时，这种单 一 的 孔 隙 结 构 和 光 滑 的 表 面 形 貌 会 导 致 出 现 分 离 颗 粒 物 的 容 量 低 、过 滤 效 率 低 、过 滤精度不足等一系列问题。
在采用熔盐反应法制备各种陶瓷粉体方面已有 大 量 的 研 究 ，利 ［１２－１３］ 用 硫 酸 铝－硫 酸 钠 复 合 熔 盐 制 备莫来 石 晶 须 也 被 认 为 是 一 种 经 济 而 高 效 的 方 法［１４］，但是，目 前 尚 没 有 研 究 者 对 熔 盐 反 应 的 机 理 展开深入研究，进而 把 熔 盐 与 陶 瓷 之 间 的 反 应 发 展 成为陶瓷表面改 性 处 理 的 一 种 新 方 法。 因 此，作 者 试图利用硫酸盐体系与碳化硅陶瓷的反应构建一种 新颖的表面微观形 貌，以 提 高 多 孔 碳 化 硅 陶 瓷 的 气 体过滤效率。为此，作 者 以 硫 酸 铝 和 硫 酸 钠 熔 盐 对 多孔碳化硅陶瓷进 行 了 改 性 处 理，研 究 了 熔 盐 反 应 后陶瓷的物相组成 和 显 微 结 构，分 析 了 熔 盐 反 应 过 程并测试了改性前后该陶瓷的过滤性能。
将十八水硫酸铝加 热 到 ３００ ℃ 脱 除 结 晶 水，然 后 准 确 称 取１０．２ｇ 无 水 硫 酸 铝 和１２ｇ 硫 酸 钠 ，作 为 复 合 熔 盐 体 系 和 ０．８ｇ 碳 化 硅 粉 一 起 在 陶 瓷 研 钵 中 混合、充分研磨；将 研 磨 后 的 粉 体 放 入 刚 玉 坩 埚 中， 分别加热至８００，９００ ℃反 应 ２ｈ，随 炉 自 然 冷 却；用 加 热 的 蒸 馏 水 溶 解 粉 体 中 未 反 应 的 硫 酸 铝 、硫 酸 钠 ， 经 过 滤 、洗 涤 后 得 到 白 色 粉 体 ，用 于 分 析 碳 化 硅 的 熔 盐反应过程及产物组成。