1 陶粒濾料的燒結(jié)機(jī)理 

陶粒濾料燒結(jié)機(jī)理的研究主要包括原材料的化學(xué)組成、焙燒過(guò)程中的物理化學(xué)反應(yīng)和燒結(jié)膨脹模式三 個(gè)方面。

1． 1 原材料化學(xué)組成的影響

陶粒濾料焙燒到一定溫度( 一般大于 950℃) ［5］，生 料球熔融產(chǎn)生液相。Ｒiley［6］最早提出了燒成陶粒適宜 液相粘度化學(xué)組成范圍: SiO2 為 53% ～ 79% ，Al2 O3 為 10% ～ 25% ，其他氧化物助熔劑為 13% ～ 26% ，這也成 為陶粒濾料焙燒化學(xué)成分范圍的一個(gè)借鑒。G． Ｒ． Xu 等［7］研究表明( Fe2 O3 + CaO + MgO) /( SiO + Al2 O3 ) 的 質(zhì)量比在 0． 275 ～ 0． 45 之間時(shí)，陶粒表面粗糙多孔，但 是強(qiáng)度低。J． L． Zou 等［8］研究表明 CaO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 5%～ 7% 時(shí)陶粒能形成更多的無(wú)定形相，有較高的孔隙率， 因?yàn)檫^(guò)多的 Ca2 + 會(huì)破壞硅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的呈電中性。所以在陶粒濾料配料時(shí)應(yīng)計(jì)算好各原材料化學(xué)組成的含量， 哪些成分不足可以額外添加。

1． 2 焙燒過(guò)程中的物理化學(xué)反應(yīng)

在焙燒過(guò)程中，整個(gè)生料球會(huì)進(jìn)行復(fù)雜的固相及 液相反應(yīng)形成晶體礦物和玻璃體，包括 SiO2 、Al2 O3 及 其他堿性氧化物的成陶反應(yīng)，這也是陶粒濾料強(qiáng)度形 成的來(lái)源。但是硅鋁質(zhì)熔點(diǎn)較高，其含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致 燒結(jié)溫度升高。其他還包括一系列的產(chǎn)氣反應(yīng)，氣體 從液相熔融物料中逸出，形成微細(xì)氣孔，這是陶粒濾料 形成高比表面積的主要原因，其平均微孔孔徑在幾十 微米左右［9，10］。產(chǎn)氣反應(yīng)主要包括［11］: ①you機(jī)質(zhì)的氧 化與干餾; ②碳酸鹽的分解; ③硫化物的分解和氧化; ④氧 化 鐵 的 還 原。產(chǎn) 生 的 氣 體 主 要 為 CO、CO2 和 SO2 等。

1． 3 燒結(jié)和膨脹模式 

近幾年提出的陶粒燒脹模式［12］ ( 原理示意如圖2) ，即早期動(dòng)態(tài)平衡和后期靜態(tài)平衡模式: 液相形成 的早期其表面張力較小，內(nèi)部產(chǎn)生的氣體壓力大，氣體 處于逸出與液相yi制逸出的動(dòng)態(tài)過(guò)程，總體來(lái)說(shuō)在此 階段陶粒濾料內(nèi)部形成微氣孔較多; 隨著溫度的升高，液相不斷增多，表面張力急劇變大，氣體難以逸出，從 而產(chǎn)生膨脹，也就是所說(shuō)的靜態(tài)平衡模式。因此從陶 粒濾料的性能要求來(lái)看，在保證陶粒濾料具有一定機(jī) 械強(qiáng)度的前提下，焙燒過(guò)程中應(yīng)盡量延長(zhǎng)早期動(dòng)態(tài)平 衡時(shí)間，縮短后期靜態(tài)平衡時(shí)間。

圖 3 陶粒濾料制備工藝流程［15 － 19］ 

2． 1 早期陶粒濾料

我國(guó)早在上世紀(jì) 80 年代就有對(duì)陶粒濾料的研究。 姚雨霖等［13］將頁(yè)巖陶粒破碎作為濾料與石英砂組成 雙層濾料濾池，產(chǎn)水量比一般砂濾池高 2 ～ 3 倍，并得 到陶粒濾料的有效粒徑為 1． 04mm。90 年代初周春生 等［14］人研究表明采用陶粒濾料柱反應(yīng)器對(duì)微污染水 源水進(jìn)行預(yù)處理，效果較好，并指出其凈化性能主要是 由陶粒濾料穩(wěn)定的生物膜體系及其進(jìn)行生物氧化分解 的活性微生物數(shù)量決定的。早期的這些濾料均以頁(yè)巖 等建筑陶粒破碎、篩分而來(lái)，呈片狀或碎石狀，雖然比 表面積較高，掛膜性能好，但是其水流阻力大、容易堵 塞、耐磨性差，很大程度上限制了它的應(yīng)用。

2． 2 傳統(tǒng)陶粒濾料

上世紀(jì) 90 年代末至本世紀(jì)初，人們開(kāi)始以粘土和 頁(yè)巖為主要原料研制球形陶粒濾料，因?yàn)檎惩梁晚?yè)巖 不僅有較好的粘結(jié)性能，而且易于膨脹和燒結(jié)，各方面 性能優(yōu)良，因此發(fā)展迅速。朱樂(lè)輝等［15］人以tian然陶土 為主要原料，摻加適量的化工原料，生產(chǎn)出一種較理想 的球形輕質(zhì)陶粒濾料。代文雙［16］以粘土為主要原料，將粘土和其他原料分別磨至細(xì)度為 200 目篩，加水成 球，在 1140℃ 至 1170℃ 燒結(jié)，研制出了輕質(zhì)球形水處 理陶粒濾料。李國(guó)昌等［17］人以tian然頁(yè)巖為原料，以圓 盤(pán)成球機(jī)成球制備出性能優(yōu)異的球形陶粒濾料，研究 表明焙燒制度對(duì)陶粒濾料性能影響較大，焙燒溫度大 于 1100℃ 時(shí)陶粒濾料的孔徑適合作為微生物膜的載 體。傳統(tǒng)輕質(zhì)球形粘土和頁(yè)巖陶粒濾料的特點(diǎn)是: 強(qiáng) 度大、比表面積高、掛膜性能好，克服了片狀濾料水流 阻力大、易堵塞和反沖洗能耗高的缺點(diǎn)。目前傳統(tǒng)的 粘土和頁(yè)巖陶粒濾料已得到廣泛應(yīng)用，但是其原料主 要為粘土和頁(yè)巖等自然資源，大量開(kāi)采會(huì)破壞sheng態(tài)環(huán) 境，不符合huan保要求，而且guo家已明令禁止開(kāi)采土地，近年來(lái)傳統(tǒng)陶粒濾料的發(fā)展已經(jīng)舉步維艱。 

2． 3 新型節(jié)能huan保型陶粒濾料

隨著guo家huan保要求的提高以及不斷完善的固體廢 棄物資源化利用鼓勵(lì)政策，近年來(lái)以粉煤灰、煤矸石、污泥等硅鋁質(zhì)固體廢棄物作為主要原料的新型節(jié)能環(huán) 保型陶粒濾料逐漸成為研究熱點(diǎn)，其中以燃煤副產(chǎn)物 粉煤灰陶粒濾料的研究較多，此外關(guān)于免燒陶粒濾料 的研究也陸續(xù)展開(kāi)。與傳統(tǒng)陶粒濾料相比，新型陶粒 濾料不僅具有節(jié)能huan保、性能優(yōu)異等特點(diǎn)，而且原材料 成本大幅降低，發(fā)展前景廣闊。