纳米改性陶粒的制造及应用

纳米改性陶粒是通过在陶粒制备过程中加入纳米粉末，克服了传统陶粒滤料表面能较低，在使用过程中。当液体流经其表面时不容易铺展开来形成薄膜，而是形成分散的液珠或细小沟流，使得滤料整体下部难以被有效地润湿，从而在很大程度上影响传质效率的缺点。它与未改性陶粒相比，具有比表面积大、易挂膜、生物亲和力高和不易堵塞等优点。
生物接触氧化是处理工业废水、生活污水和微污染原水的一种高效水处理工艺，填料性能的优劣直接影响和制约该工艺的处理效率。近年来，陶粒填料由于原料低廉易得、生物亲和性好等优点得到了国内外水处理工作者的广泛关注，但目前陶粒填料普遍存在比表面积不大、机械强度不高以及应用于厌氧生物滤池时挂膜启动时间长(由于厌氧微生物世代时间长)的问题。
研究结果表明，陶粒填料表面的粗糙度和内部孔隙率会影响细菌的增殖速度，粗糙多孔的表面有利于启动阶段生物膜的形成，同时也使布水均匀。流态稳定。纳米材料具有粒径小、比表面积非常大、活性中心多、表面粗糙度增加等优点，采用纳米材料对陶粒填料进行改性，使陶粒表面和内部孔隙表面附有纳米材料，获得高粗糙度和高比表面积的陶粒填料，从而提高细菌的增殖速度和生物膜的形成速度，来解决厌氧生物滤池反应器挂膜时间长的问题。

纳米改性陶粒的结构材料

(1)黏土；余莹等在研制纳米改性陶粒时采用的原料为江西某黏土矿的土质，该黏土矿的土质成分见表。

江西某黏土化学成分
成分	SiO2	Al2O3	Fe2O3	K2O	Na2O	CaO	MgO	TiO2	烧失量
质量分数/%	63.91	17.37	3.78	3.21	0.32	0.42	1.28	0.92	8.78

(2)纳米材料；所用材料为纳米Al2O3粉末、分子筛和特种材料DT-5。试验结果表明，分子筛、适量的纳米Al2O3材料和适量的特种材料DT-5的添加能够改善陶粒的性能，分子筛的用量与陶粒的性能呈正相关性，纳米Al2O3材料的用量与陶粒的性能呈负相关性，特种材料DT-5的用量与陶粒的性能在一定量前期呈正相关性，然后就呈负相关性。
最常见的纳米材料是纳米粉末，具有相当大的比表面积。将纳米粉末颗粒分散于制备陶粒的原料中，由于纳米分散相有大的比表面积和强的界面效应，纳米改性陶粒表现出不同于一般宏观材料的力学和热学性能，还可能具有原组分不具备的特殊性能和功能，这为设计和制备高性能、多功能的新型陶粒填料提供了新的机遇。

纳米改性陶粒的制备

(1)配料造粒；纳米改性陶粒的制备原料为江西某黏土矿(成分见表)、三种添加剂(CaCO3、炭黑、特种膨胀剂DT-5)和纳米Al2O3。
①配料。通过对原黏土的土质成分与我国烧制高膨胀性多孔陶粒黏土成分的要求进行比较可知，所采用的原黏土成分基本符合烧制要求，但CaO、Fe2O3和有机质均偏低，K2O+Na2O偏高，Al2O3略偏低。为了使原料接近高膨胀性材料，必须添加适当的膨胀剂(也叫造孔剂)DT-5。
选择γ-Al2O3为陶粒改性的纳米材料，该纳米材料有许多优点：熔点高，为1273-1573℃，比表面积大，为180m2/g；化学组成与黏土中的氧化铝相同，不会改变黏土组成。为了充分发挥纳米材料的特性，使纳米材料尽量分布于烧制后的陶粒表面及内部孔隙表面，选择一种特殊溶剂(有机、易挥发的)使γ-Al2O3与膨胀剂充分混合均匀并结合紧密，碾磨至一定细度后再与经研磨机研磨成约150目的黏土粉末混合均匀，这样在焙烧过程中，膨胀剂发生反应(或熔融、或挥发)而使剩下的γ-Al2O3分布在陶粒的表面和内部孔隙表面。余莹等为了确定陶粒的最佳配方，以三种添加剂(CaCO3、炭黑、特种膨胀剂DT-5)和纳米材料(γ-Al2O3)为因素，设计了四因素三水平的正交试验，试验结果表明，各影响因素对于陶粒比表面积影响程度的大小依次为DT-5的添加童、炭黑的添加量、γ-AI2O3的添加量、CaCO3的添加量。由此得出烧制纳米改性陶粒滤料的最佳配方为：黏土94%.，CaCO3 2%，炭黑2%，DT-5 2%，γ-Al2O3 1‰。
②造粒。造粒过程中加入少量按一定比例配制的γ-Al2O3、炭黑和黏土粉末，使得陶粒表面增加γ-AI2O3。按照不同配比加入黏土和添加剂再加入约26%-30%的水搅拌均匀，放入成形机内挤压成形并切割后在盘式造粒机中造粒得到球形颗粒状生料，粒径为4-8mm。
(2)烧制成形；陶粒原料的性质是陶粒在烧制过程中变化的内因，焙烧过程是陶粒多孔结构形成的外因。陶粒生料先经干燥(约100℃，1-2h)再移入马弗炉升温至300-400℃，时间约1h，最后移入高温电限炉中经过2h渐序升温至焙烧赵黏度1150℃，维持8min期间瞬时开启炉门几次，以供给炉内氧气。核个烧制过程历时4-5h，即可制得粒径为3-6mm的球形纳米改性陶粒滤料。

纳米改性陶粒的特点

纳米改性陶粒的表面呈黄白色，是被纳米材料所着色。焙烧前纳米材料的粒径在50-500nm，大部分在50nm左右；焙烧后粒径有一部分在100nm左右，陶粒表面的纳米粒子出现团聚较明显，颗粒比焙烧前明显增大，但仍有纳米粒子存在。膨胀剂和纳米材料的添加极大地提高了陶粒的比表面积。新鲜陶粒表面的孔隙多，粗糙度高，有利于水流的重新分布，减少水流对生物膜的剪切力，促进了微生物在填料表面的固着繁殖。新鲜陶粒内部布满6-50nm的孔隙，因而比表面积大(可达7.354m2/g)，比国产商品陶粒的比表面积((4.11m2/g)提高了78.9%。高比表面积为微生物提供了附着场所和相对稳定的内部空间，因而在其内部孔隙有大量微生物生长。与其他水处理填料相比，纳米改性陶粒具有比表面积大、密度适中、表面粗糙、生物亲和性好、抗酸碱且不易老化、机械强度高、寿命长等优点。存在于陶粒填料的表面和内部孔隙表面的纳米材料，很可能是陶粒表现出高比表面积和良好挂膜性能的主要原因。

纳米改性陶粒在水处理方面的应用研究

余莹等将纳米改性陶粒应用于曝气生物滤池中处理城市生活污水，在水温8-25℃下连续运行60天，并与国产商品陶粒在同一反应器的运行试验进行比较，发现纳米改性陶粒比国产商品陶粒挂膜快，挂膜时间短，挂膜效率高，生物亲和性好，在达到相同处理效率的条件下，水力负荷提高了14.3%，出水水质好，运行稳定。
刘燕芳等将纳米改性陶粒应用于曝气生物滤池和厌氧生物滤池处理生活污水，连续运行54天，结采表明，纳米改性陶粒挂膜时间短，COD去除率高，运行稳定，说明该种陶粒有利于固定化生物膜的形成、繁殖和更新脱落，生物亲和性好，稳定性高，具有实用价值。

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