微氧化烧结制备掺杂Y2O3的SiC陶瓷及含镉模拟废水处理

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210469

摘要/Abstract

摘要：

采用了微氧化烧结制备了不同Y₂O₃质量分数（0%、2%、4%、6%）的多孔SiC陶瓷，通过对陶瓷的晶体结构、微观形貌、物理性能和Cd²⁺的去除率测试发现：添加了Y₂O₃的SiC陶瓷出现了较多的第二相Y₂SiO₇、Y₅Si₃C_0.5，随着Y₂O₃的质量分数增加逐渐升高，主相的衍射峰的强度有降低。扫描电子显微镜测试发现，SiC陶瓷的尺寸在2.5 μm，Y₂O₃引入后，SiC陶瓷的晶粒尺寸降低，高温烧结时液相的含量增加，熔体粘度降低，晶粒结合更加紧密，Y₂O₃的引入提高了多孔陶瓷的体积密度，Y₂O₃质量分数为6%SiC的体积密度最大为2.21 g/cm³。热导率随着Y₂O₃质量分数的增加呈现出先升高后降低的趋势。金属Cd²⁺的过滤测试表明：随着Y₂O₃质量分数增加，Cd²⁺的残留质量浓度、膜通量和去除率先降低后升高，当掺杂质量分数为4%时，Cd²⁺残留质量浓度最低为0.042 mg/L，膜通量达到了最大值572 L/（m²·h），去除率最大为99.95%，相比未掺质量分数杂体系的去除率提高了0.14%。随着溶液pH值的逐渐增大，金属Cd²⁺的残留质量浓度逐渐降低、去除率逐渐升高，pH≥9时最终均趋于稳定。综合来看，多孔SiC陶瓷的助烧剂Y₂O₃最佳掺量为4%。

关键词: 碳化硅, 微氧化烧结, 陶瓷, 助烧剂, Y₂O₃, pH值, 废水处理

Abstract:

Porous SiC ceramics with different mass fractions of Y₂O₃ （0%， 2%， 4%， 6%） were prepared by micro-oxidation sintering. The crystal structure， micro morphology， physical properties and metal Cd removal rate of the ceramic were characterized. The second phases Y₂SiO₇ and Y₅Si₃C_0.5 increases with the increase of Y₂O₃ content， and the intensity of the diffraction peaks of the main phase decreases. Scanning electron microscopy analysis shows that the size of SiC ceramics is 2.5 μm. As the increase of Y₂O₃ content， the grain size of SiC ceramics is reduced， the content of liquid phase increases during high-temperature sintering， the melt viscosity is reduced， and the crystal grains are more tightly bonded. Considering the bulk density of porous ceramics， the maximum bulk density of SiC is 2.21 g/cm³ with a Y₂O₃ content of 6%， and the thermal conductivity increases first and then decreases with the increase of the Y₂O₃ content. The filtration test of metal Cd²⁺ in the wastwater shows that with the increase of Y₂O₃ content， the residual concentration， the trend of the membrane flux of SiC thin film， and the removal rate of Cd²⁺ first decrease and then increase. When the doping concentration is 4%， the minimum residual mass concentration of Cd²⁺ is 0.042 mg/L， the maximum membrane flux is 572 L/（m²·h）， and the maximum removal rate is 99.95%， compared with the undoped system， the removal rate is increased by 0.14%. As the pH of the solution gradually increases， the residual concentration of metal Cd²⁺ gradually decreases and the removal rate gradually increases， and both stabilize under alkaline conditions when pH ≥9. On the whole， the best content of Y₂O₃ for porous SiC ceramics is 4%.

Key words: Silicon carbide, Micro-oxidation sintering, Ceramics, Sintering aid, Y₂O₃, pH, Wastewater treatment

中图分类号:

O613.7

王兵, 唐敏, 王颖, 刘志光. 微氧化烧结制备掺杂Y₂O₃的SiC陶瓷及含镉模拟废水处理[J]. 应用化学, 2022, 39(8): 1312-1318.

Bing WANG, Min TANG, Ying WANG, Zhi-Guang LIU. Preparation of Y₂O₃⁃Dopped SiC Ceramics by Micro⁃oxidation Sintering and Removal of Cd²⁺ in Mimic Wastewater[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2022, 39(8): 1312-1318.

图/表 8

图1 多孔SiC陶瓷的XRD图Y2O3质量分数/%：a. 0； b. 2； c. 4； d. 6

Fig.1 XRD patterns of porous SiC ceramicsw（Y2O3）/%： a. 0； b. 2； c. 4； d. 6

图2 多孔SiC陶瓷的SEM图Y2O3质量分数/%：A. 0; B. 2; C. 4; D. 6

Fig.2 SEM images of porous SiC ceramicsw（Y2O3）/%: A. 0; B. 2; C. 4; D. 6

图3 多孔SiC陶瓷的密度曲线

Fig.3 Density curve of porous SiC ceramics

图4 多孔SiC陶瓷的气孔率测试曲线

Fig.4 Porosity test curve of porous SiC ceramics

表1 多孔SiC陶瓷的性能参数

Table 1 Performance parameters of porous SiC ceramics

Y₂O₃质量分数 w（Y₂O₃）/%	密度 ρ/（g·cm^-3）	热导率 Thermal conductivity/（W·m^-1·K^-1）	残留浓度 Residual concentration/（mg·L^-1）	膜通量 Membrane flux/ （L·m^-2·h^-1）	去除率 Removal rate/%
0	1.85	76.35	0.098	415	99.81
2	2.03	81.71	0.081	492	99.91
4	2.19	87.64	0.042	572	99.95
6	2.21	86.39	0.0516	558	99.94

图5 多孔SiC陶瓷的热导率曲线

Fig.5 Thermal conductivity curve of porous SiC ceramics

图6 多孔SiC陶瓷的残留质量浓度、膜通量、去除率测试曲线

Fig.6 Test curves of residual mass concentration， membrane flux and removal rate of porous SiC ceramics

图7 多孔SiC陶瓷不同pH值下的残留质量浓度和去除率测试曲线

Fig.7 Test curves of residual mass concentration and removal rate of porous SiC ceramics at different pHs

参考文献 21

1	王浩，王建华. 中国水资源与可持续发展［J］. 中国科学院院刊， 2012， 27（3）： 352-358， 331.
	WANG H， WANG J H. Water resources and sustainable development in China［J］. Bull Chinese Acad Sci， 2012， 27（3）： 352-358， 331.
2	吴丹，曹思奇，康雪，等. 我国水治理现状评估与展望［J］. 水利水电科技进展， 2019， 39（1）： 7-14.
	WU D， CAO S Q， KANG X， et al. Assessment and prospects of the current situation of water governance in my country［J］. Prog Water Resour Hydropower Sci Technol， 2019， 39（1）： 7-14.
3	刘军，杨胜红，王婷婷. 浅谈我国水资源现状［J］. 城市建设理论研究（电子版）， 2017（13）： 251-252.
	LIU J， YANG S H， WANG T T. On the status quo of my country's water resources［J］. Theor Res Urban Constr （Electron Ed）， 2017（13）： 251-252.
4	凌琪，陈婷娜，伍昌年，等. 酸改性高岭土对含Cd²⁺和Pb²⁺废水的吸附研究［J］. 洛阳理工学院学报（自然科学版）， 2018， 28（3）： 4-9， 16.
	LING Q， CHEN T N， WU C N， et al. Adsorption of Cd²⁺ and Pb²⁺ wastewater by acid-modified kaolin［J］. J Luoyang Inst Technol （Nat Sci Ed）， 2018， 28（3）： 4-9， 16.
5	HAMOUDI S A， HAMDI B， BRENDLE J. Removal of ions Pb²⁺ and Cd²⁺ from aqueous solution by containment geomaterials［J］. Exergetic， Energy Environ Dimen， 2018： 1029-1043.
6	程珊珊，杨锡洪，章超桦，等. 垃圾渗滤液水溶性有机物对土壤吸附重金属Cd²⁺、Pb²⁺的影响［J］. 水产学报， 2011， 35（3）： 410-416.
	CHNG S S， YANG X H， ZHANG C H， et al. Effects of water-soluble organic matter in landfill leachate on soil adsorption of heavy metals Cd²⁺ and Pb²⁺［J］. J Fisher China， 2011， 35（3）： 410-416.
7	ZHANG Q R， DU W， PAN B C， et al. A comparative study on Pb²⁺， Zn²⁺ and Cd²⁺ sorption onto zirconium phosphate supported by a cation exchanger［J］. J Hazard Mater， 2008， 152（2）： 469-475.
8	袁健，钱雅洁，薛罡，等. 活性污泥水热碳化法制备磁性炭及对水体Cd²⁺及Pb²⁺的去除［J］. 环境工程， 2020， 38（2）： 55-62.
	YUAN J， QIAN Y J， XUE G， et al. Preparation of magnetic carbon by hydrothermal carbonization of activated sludge and its removal of Cd²⁺ and Pb²⁺ in water［J］. Environ Eng， 2020， 38（2）： 55-62 .
9	申利国，林红军. 含TiO₂杂化分离膜工艺污水处理应用研究综述［J］. 净水技术， 2017， 36（4）： 48-56.
	SHEN L G， LIN H J， Summary of research on wastewater treatment application of TiO₂ hybrid separation membrane process［J］. Water Purif Technol， 2017， 36（4）： 48-56.
10	JIA X， JIN D， LI C， et al. Characterization and analysis of petrochemical wastewater through particle size distribution， biodegradability， and chemical composition［J］. Chinese J Chem Eng， 2019， 27（2）： 444-451.
11	王竹梅，李月明，万德田，等. 二氧化硅包裹铋基黄色料的制备及其稳定性［J］. 应用化学， 2020， 37（1）： 109-116.
	WANG Z M， LI Y M， WAN D T， et al. Preparation and stability of silica coated bismuth-based yellow pigments［J］. Chinese J Appl Chem， 2020， 37（1）： 109-116.
12	陈崇来，张文霞，裘建平，等. 堇青石蜂窝陶瓷负载锰氧化物催化分解臭氧性能［J］. 应用化学， 2020， 37（11）： 1293-1300.
	CHEN C L， ZHANG W X， QIU J P， et al. Catalytic decomposition of ozone by manganese oxide supported on cordierite honeycomb ceramics［J］. Chinese J Appl Chem， 2020， 37（11）： 1293-1300.
13	余炎子，李传刚，鄢恒飞，等. 多孔碳化硅陶瓷膜分离技术的应用研究进展［J］. 工业水处理， 2021， 41（5）： 41-45.
	YU Y Z， LI C G， YAN H F， et al. Research progress in the application of porous silicon carbide ceramic membrane separation technology［J］. Ind Water Treatment， 2021， 41（5）： 41-45.
14	陈俐. 多孔SiC陶瓷膜的制备与废水处理性能的表征［J］. 功能材料， 2020， 51（12）： 12204-12208.
	CHEN L. Preparation of porous SiC ceramic membrane and characterization of wastewater treatment performance［J］. Funct Mater， 2020， 51（12）： 12204-12208.
15	HA J H， LEE S， BUKHARI S， et al. Effects of preparation conditions on the membrane properties of alumina-coated silicon carbide supports［J］. J Ceram Soc Jpn， 2018， 126（10）： 860-869.
16	曹婷婷，许铁夫，王淼，等. 陶瓷膜处理采油废水的离子去除特性及膜污染分析［J］. 给水排水， 2018， 54（5）： 60-64.
	CAO T T， XU T F， WANG M， et al. Ion removal characteristics and membrane fouling analysis of ceramic membrane in the treatment of oil production wastewater［J］. Water Wastewater， 2018， 54（5）： 60-64.
17	万意，李东辉，唐玉刚，等. 碳化硅膜处理PTA精制废水技术研究［J］. 合成技术及应用， 2020， 35（3）： 28-32.
	WAN Y， LI D H， TANG Y G， et al. Research on PTA refining wastewater treatment technology with silicon carbide membrane［J］. Synth Technol Appl， 2020， 35（3）： 28-32.
18	王竹梅，马振国，李月明，等. Ca²⁺离子掺杂对γ-Ce₂S₃合成温度及热稳定性的影响［J］. 应用化学， 2019， 36（6）：683-689.
	WANG Z M， MA Z G， LI Y M， et al. Effect of Ca²⁺-doping on synthesis temperature and heat stability of γ-Ce₂S₃［J］.Chinese J Appl Chem， 2019， 36（6）： 683-689.
19	代小元，沈凡，戴武斌，等. 碳化硅陶瓷膜处理工业废水的工艺特性研究［J］. 武汉工程大学学报， 2018， 40（3）：284-287.
	DAI X Y， SHEN F， DAI W B， et al. Study on the process characteristics of silicon carbide ceramic membrane for industrial wastewater treatment［J］. J Wuhan Inst Technol， 2018， 40（3）： 284-287.
20	张瑶瑶，艾超前，杜毅帆，等. 碳化硅多孔陶瓷表面活化改性及其吸附Pb（Ⅱ）的研究［J］. 中国陶瓷， 2019， 55（4）： 18-24.
	ZHANG Y Y， AI C Q， DU Y F， et al. Surface activation modification of silicon carbide porous ceramics and its adsorption of Pb（Ⅱ）［J］. China Ceram， 2019， 55（4）： 18-24.
21	葛荣树，张丽芳，张彤，等. 纳米MoS₂对水中重金属离子去除效果的研究［J］. 科技创新导报， 2018（30）： 76-78.
	GE R S， ZHANG L F， ZHANG T， et al. Research on the removal of heavy metal ions in water by nano-MoS₂［J］. Sci Technol Innovat Herald， 2018（30）： 76-78.

[1]	兰晓琳, 郑红星, 张依帆, 赵振, 肖和业, 王志江, 邓鹏飏. 常压高温固相反应制备SiC陶瓷粉体的研究进展[J]. 应用化学, 2023, 40(4): 476-485.
[2]	王华宇, 张超, 陈柯铭, 葛明. 金属-有机框架MIL-88A（Fe）及其复合材料在水处理中的研究进展[J]. 应用化学, 2023, 40(2): 155-168.
[3]	郭佳昕, 刘洋, 徐长山, 刘晓男, 程亮. 不同pH值下MgO NPs悬浮液中Mg²⁺质量浓度的动态变化及其对小麦生长的影响[J]. 应用化学, 2022, 39(9): 1401-1411.
[4]	严磊, 毛秀海, 左小磊. 酸性条件下的DNA构象变化加速DNA变性解链[J]. 应用化学, 2022, 39(5): 837-842.
[5]	陈崇来, 张文霞, 裘建平, 贾爱平, 罗孟飞. 堇青石蜂窝陶瓷负载锰氧化物催化分解臭氧性能[J]. 应用化学, 2020, 37(11): 1293-1300.
[6]	周凤珍, 李文秋, 王文静, 郭惠玲. 钙蒙脱土吸附镧的影响因素及其应用[J]. 应用化学, 2019, 36(12): 1413-1421.
[7]	刘星煜, 胡志明, 吴鹏飞, 董喜超, 郭长青, 苏智明, 刘安华. 掺铁碳化硅陶瓷的制备及其吸波性能[J]. 应用化学, 2018, 35(2): 224-231.
[8]	郭琦, 吴欣强, 韩恩厚, 柯伟. 高温水溶液pH值原位测量系统与机理[J]. 应用化学, 2016, 33(11): 1329-1336.
[9]	江莉梅, 邹翔宇, 韦钦磊, 宋琼, 邓爽, 张洪波, 苏春辉. 含氟CaO-P₂O₅-SiO₂-Na₂O-B₂O₃玻璃陶瓷的制备及性能表征[J]. 应用化学, 2015, 32(4): 442-446.
[10]	王洪, 杨驰, 谢文峰, 余刚. 锂离子电池用陶瓷聚烯烃复合隔膜[J]. 应用化学, 2014, 31(07): 757-762.
[11]	许泳吉, 张利, 赵雪萍. 纳米片状ZnO的室温制备及其胶状前体的稳定性分析[J]. 应用化学, 2012, 29(09): 1036-1040.
[12]	卢强, 安立超, 钟秦, 胡悦, 夏文文, 王志良. Ru_0.7Si_0.3O₂/Ti电极电催化氧化处理硝基苯废水[J]. 应用化学, 2011, 28(05): 576-582.
[13]	王九思, 何兆照, 郭立新, 文卓琼, 杨玉华. 聚硅酸硫酸铁/壳聚糖复合絮凝剂的制备及其在废水处理中的应用[J]. 应用化学, 2011, 28(01): 27-32.
[14]	王于刚, 史铁钧, 李忠, 谭德新. 聚芳基乙炔树脂/杉木粉木材陶瓷的制备与表征[J]. 应用化学, 2010, 27(04): 418-423.
[15]	罗民,李燕, 侯广亚. 液相渗硅法制备多孔Si/SiC生物形态陶瓷[J]. 应用化学, 2009, 26(12): 1399-1403.

微氧化烧结制备掺杂Y₂O₃的SiC陶瓷及含镉模拟废水处理

Preparation of Y₂O₃⁃Dopped SiC Ceramics by Micro⁃oxidation Sintering and Removal of Cd²⁺ in Mimic Wastewater

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 8

参考文献 21

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价