电解锰渣制备陶瓷砖

　第29卷第1期 硅　酸　盐　通　报
Vol.29　No.1

　2010年2月 BULLETINOFTHECHINESECERAMICSOCIETY
February,2010

电解锰渣制备陶瓷砖

胡春燕,于宏兵
(南开大学环境科学与工程学院,天津　300047)

摘要:为减少电解锰渣对环境的污染,降低重金属锰的毒性,研究了以电解锰渣为主要原料制备陶瓷砖。首先利用
CaO2Al2O
32SiO2
三元系统相图获得初始配方,然后用正交试验法确定最优配方。在最优配方中,电解锰渣的质量分

数高达40%。采用较低温度快速烧成工艺,烧成温度为1079℃,烧成时间为30min。制得的陶瓷砖“主晶相”为普
通辉石与锰钙辉石,吸水率为1.86%,主要性能指标符合GB/T410022006《陶瓷砖》中的BⅠb类标准。实验结果
显示,重金属锰出现在锰钙辉石的晶格中,成为其晶体结构的组成部分,完成了对锰的解毒。
关键词:电解锰渣;陶瓷砖;正交试验;较低温度快速烧成
中图分类号:TB321 文献标识码:A 文章编号:100121625(2010)01201122
04

PreparationofCeramicTilesUsingElectrolyticManganeseResidue
HUChun2yan,YUHong2bing
(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,NankaiUniversity,Tianjin300047,China)

Abstract:Inordertoreducethepollutionofelectrolyticmanganeseresidueandthetoxicityoftheheavy
metalmanganese,thepreparationofceramictileswasstudiedbyusingelectrolyticmanganeseresidueas
themainrawmaterial.ThebasicformulaswereobtainedintermsoftheCaO2Al2O32SiO2ternarysystem
phasediagram,andthentheywereoptimizedthroughtheorthogonaldesign.Intheoptimalformula,the
massfractionofelectrolyticmanganeseresiduereached40%.Thesampleswithaugiteandjohannsenite
astheirmaincrystalphases,whosewaterabsorptionwas1.86%,wereproducedthroughthelower
2
temperatureandquick2sinteringtechnology:thetemperaturewas1079℃,andthesinteringtimewas30
minutes.Thesamples’maintechnicalperformancecompliedwiththeBⅠbstandardofGB/T410022006
’Ceramictiles’.Experimentalresultsshowedthattheheavymetalmanganesewasinthejohannsenite’s
crystallatticeandbecameacomponentofthejohannsenite’scrystalstructure.Therefore,lesstoxicityof
manganesewillbereleasedintotheenvironment.
Keywords:electrolyticmanganeseresidue;ceramictiles;orthogonaltest;lower2temperatureandquick
2
sintering

作者简介:胡春燕(19842),女,硕士研究生.主要从事工业废渣资源化利用的研究
.

通讯作者:于宏兵.E2
mail:hongbingyu1130@sina.com

1
　引　言
近年来,我国电解锰行业发展迅速,电解锰企业由2006年的170家增加到2009年的197家,年生产能
力由118.17万吨提高到200万吨。电解锰行业的主要废渣2锰渣的处置问题也日益严峻。目前,国内多数
电解锰企业锰渣的产生量高达其产品产量的5～6倍,且大部分锰渣露天堆放,不仅占用了大量的土地,而且
　第1期胡春燕等:电解锰渣制备陶瓷砖
113

对环境产生了严重危害。为此,国家不断加强对电解锰行业的专项执法检查和整治力度[1]。
传统的电解锰渣资源化利用途径主要有两大类,一是将锰渣脱水后作为混凝土的原料,其掺量仅占混凝
土总量的0.83%。此外,混凝土是通过水化反应形成的混合物,当其出现开裂等老化现象时,其中的骨料
(包括锰渣)
又将释放出来继续污染环境;二是用锰渣替代石膏作水泥缓凝剂,其最高掺量仅为

5%

[2]
。

以上两种方式对锰渣的利用量都很小,不能从根本上解决其对环境的危害。鉴于此,本文提出以电解锰
渣为主要原料制备陶瓷砖。该方法对锰渣利用量大,且不产生二次污染,是解决锰渣污染问题的新途径。

2
　实　验
2.1
　主要原料
实验以锰渣(来源于重庆某电解锰厂)、普通平板废玻璃和高岭土为主要原料,其粒径分别为:锰渣2
150

目;废玻璃2200目;高岭土21100目。其中,废玻璃主要提供
SiO

2
,并起降低烧成温度、促进烧结的作用;

高岭

土主要起黏结剂的作用。主要原料的化学组成见表1。

表1　主要原料的化学组成
Tab.1　Chemicalcompositionofthemainrawmaterialswt%
LossSiO2Al2O3CaOMgOMnO
SO3K2ONa2O
Wasteglass265.693.347.154.86220.8318.13
Electrolyticmanganeseresidue5.7532.1023.378.9425.8224.01
22
Kaolin252.6545.440.380.1720.010.040.09

2.2
　工艺流程及参数

图1　工艺流程图
Fig.1　Processflowdiagram

原料经造粒后,用20吨千斤顶及钢质模具压
制成型,成型湿坯尺寸为38mm×20mm×7mm,含
水率为10%～16%。再将其置于155～200℃的恒
温干燥箱内,至绝干(含水率几乎为零)后放入硅钼
棒高温箱式炉中,采用较低温度快速烧结工艺烧
结。烧成温度为1079℃,烧成时间为30min,烧成
线收缩率为5%。工艺流程如图1。

3
　结果与分析
3.1
　确定配方
3.1.1
　相图理论产生初始配方
原料的主要化学组成经换算后,标于CaO2Al2O32SiO2三元系统相图中,顺次连接三个原料成分点得到
原料成分区域。根据相图理论中的“杠杆原理”,经计算得到原料的质量百分数,即初始配方,见表2[3]。

表2　CaO2Al2O32SiO2三元系统相图理论下的初始配方
Tab.2　ThebasicformulasbasedonCaO2Al2O32SiO2ternarysystemphasediagram
GlassElectrolyticmanganeseresidueKaolin
1#56%29%15%
2#44%50%6%
3#31%63%6%

3.1.2
　正交试验法确定最优配方
为得到性能优良的陶瓷砖,在获得初始配方后,将废玻璃、电解锰渣和高岭土作为因素,以陶瓷砖的吸水
率作为考核指标,选用
L

9
(34)
正交试验表,在相同的烧成温度和时间下,进行了9组实验,其结果见表3。
114

专题论文硅酸盐通报 第29卷

表3　正交设计结果
Tab.3　Theresultsoforthogonaldesign
RunA:glasscontent(g)B:electrolyticmanganeseresiduecontent(g)C:kaolincontent(g)Waterabsorption(%
)
18.85.91.11.49
28.810.12.913.73
36.312.62.913.32
46.310.11.14.72
511.210.11.05.06
611.25.92.92.33
711.212.61.13.31
86.35.91.01.49
98.812.61.04.92

利用正交试验软件进行最优配方的自动筛选,经实验验证,最优配方为:废玻璃占53%,电解锰渣占
40%,高岭土占7%。正交试验模型的方差分析见表4。从表4中可知,
电解锰渣和高岭土含量对模型的影
响较大,其中高岭土含量的变化对模型影响最大,废玻璃含量对模型的影响最小。
根据因素值和响应值得到的线性方程为
:

R1=23.1149120.60068×A+0.87403×B+3.38105×C
R
1

为吸水率。理论显示废玻璃含量越大越好,电解锰渣和高岭土的含量越小越好,这对实验的进一步

优化具有理论指导意义。

表4　响应面线性模型的方差分析表(响应值:吸水率
,

R

2
=0.8136)

Tab.4　Analysisofvariancetableforresponsesurfacelinearmodel
SourceSumofSquaresdfMeanSquareFValuep2value(Prob>F
)
Model143.96347.997.270.0285significant
A2glasscontent12.99112.991.970.2194
B2electrolyticmanganeseresiduecontent52.54152.547.960.0370
C2kaolincontent78.42178.4211.890.0183
Residual32.9956.60
CorTotal176.948

3.2　试样的XRD、SEM
表征及性能测试
为确定陶瓷砖的“主晶相”及结晶度,对其进行了XRD分析,见图2。通过扫面电镜对试样的“主晶相”
进行了形貌分析,见图3。

通过对XRD图进行定性分析得知,试样的“主晶相”为普通辉石2(Ca,Mg,Fe)2(Si,Al)2O6与锰钙辉石2
CaMnSi2O6,定量分析知其结晶度为17.15%
。