多孔陶瓷材料的制备及其吸附性能的研究
将有机或无机物质添加到陶瓷原料当中，这些物质在一定条件下彼此之间发生化学反应，随着反应的进行，胚料中产生易挥发性气体，促使大量泡沫生成，再经过焙烧之后制得多孔陶瓷[20]的方法称之为泡沫法。聚胺酯塑料、双氧水、硫酸盐、硫化物、氢氧化钙、碳化钙等都可用来当做发泡的化学物质[21]。利用发泡发制得的多孔陶瓷孔径一般为10μm-20mm，气孔率一般能达到40%-90%。所得陶瓷材料气孔率较高，强度较大，是制备闭气孔陶瓷材料的较为理想方法。不足之处是该法对制作原材料要求比较高，工艺条件控制不容易。该方法主要用于制作轻质建筑材料以及保温隔热材料等。
(4) 颗粒堆积法
颗粒堆积法，顾名思义，它是通过骨粒原材料的堆积，粘结而形成多孔陶瓷材料[21]。由于某些与骨粒组分相同的细小微粒易烧结，因而在一定的温度下，可以通过这个特点实现骨料间的链接，使得大颗粒之间彼此相连。通常情况下，对于骨料原材料来说，如果它的颗粒比较大，利用它所制备得到的多孔陶瓷材料的孔径的平均值相对来说也就会越大。同样的道理，若要得到孔径分布比较均匀的多孔陶瓷材料，就得利用骨粒颗粒大小尺寸分布范围较小的原材料 [22]。这种工艺对孔结构进行控制的方法是通过调整颗粒级配，利用这种方法所制得多孔陶瓷材料气孔率较低，一般仅20%-30%左右，但在原料中加入一定量的成孔剂，比如塑料、淀粉、木屑、碳粉等，在较高温度下这些成孔剂便会挥发，这样可将整体气孔率提高至75%左右[23]。该方法工艺简单，制品强度高，主要用于制备部分无机膜。
(5) 挤压成型法
挤压成型法中挤出成型是其主要工艺，而挤出成型所要用到的模具又是该工艺的关键技术[24]。其主要工艺如下：
图1.2 挤压成型工艺流程图
对于该方法而言，为了得到各种不同大小孔径的陶瓷材料，一个可行的方法便是控制模
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具的大小。挤压成型法适合于制作生产壁厚大孔的蜂窝陶瓷，是生产蜂窝陶瓷最常用的方法之一。使用该方法制得的陶瓷材料气孔孔径一般大于1mm，气孔率一般不会超过70%。该方法的优点是能够对陶瓷材料的气孔的大小形状进行较为精密的控制，从而得到形状、尺寸、气孔率、间壁厚度等较为均匀的产品，且该方法能够满足连续的大批量生产的要求。该方法的缺点是工艺较为复杂，很难制备孔道结构较为复杂以及孔径较小的陶瓷材料。该方法主要用于制备汽车尾气催化剂载体、红外燃烧器等。
(6) 溶胶-凝胶工艺
溶胶-凝胶法主要是利用凝胶化过程中胶体粒子的堆积以及凝胶处理过程中留下的小气孔，形成可控多孔结构[24]。在烧结过程中，其中的溶液被挥发，最后即可得到目标产物纳米级孔洞。溶胶中的水量以及溶剂的种类、溶液的PH值、干燥程度、热处理方式、化学添加剂等都会对产品的性能造成影响。一般情况下，该法制得的陶瓷材料的孔径大小和表面积等通常是通过控制溶胶的PH值来控制。这种方法制备所得到的陶瓷材料的孔径的级别为纳米级，且分布相对较为均匀。由于工艺简单，因而已被应用较为广泛。目前已成为生产开孔多孔陶瓷载体的重要生产工艺之一。其缺点是该方法工艺不成熟，目前还未得到大规模生产应用，对其的研究还有待进一步研究。
(7) 冷冻干燥法
冷冻干燥法是指在陶瓷原料中加入一定量的水，将材料压制成型之后，再将胚体放置于低温之下进行冷冻，此时胚体内的水分低温下形成冰晶，之后再将胚体至于真空中进行干燥，将胚体中的水分蒸发，最后在对其进行烧结，便可得到需要的多孔陶瓷。该方法有一个最大的优点，那便是环保无污染，且可以通过冰在溶剂中的一些特性来获得气孔呈定向排列的多孔结构[25]。
(8) 其它制备方法
制备多孔陶瓷材料的方法还有很多，如将陶瓷前驱体注入多孔结构模板中从而获得与模板结构和形貌相符的多孔材料的模板合成法[26]；通过水作为压力传质介质从而制备各种孔径的多孔陶瓷的水热-热静压法[27]；利用机械搅拌从而产生泡沫制备多孔陶瓷的机械搅拌法等。
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1.2.4 多孔陶瓷材料的应用
多孔陶瓷材料由于其自身的优良物理化学性能，如气孔率较高、比表面积大、抗酸抗碱性强、耐高温、加上较为可观的抗压能力，因而具备十分广泛的应用前景，目前已被广泛应用于日常生活及工业生产的诸多方面。在现有的技术条件下，多孔陶瓷材料主要有过滤分离、隔热、吸音、作催化剂载体等作用。
（1） 过滤和分离
多孔陶瓷材料一般拥有较大的比表面积，所以在相同体积情况下，过滤面积相对较大[28]。液体流经多孔陶瓷材料过滤器时，液体中的杂质便会被拦截吸附在陶瓷内部。且由于多孔陶瓷的耐酸耐碱耐高温和抗压强度高等性能，已被广泛应用于一些有机、无机物质，酸、碱性物质的过滤分离。多孔陶瓷材料作为过滤分离材料的另一个优点是该材料易于清洗，因而可循环利用，是较为环保的过滤分离材料，应用前景广泛。
（2） 催化剂载体
多孔陶瓷材料由于其内部分布的较为均匀的气孔，因而可以用来作为催化剂的优良载体。把催化剂附着在多孔陶瓷材料内部，就能够有效地增大化学反应的有效面积，提高催化剂的催化性能，同时多孔陶瓷材料的优良的抗压强度也能对催化剂进行较为有效的保护。因而，多孔陶瓷材料是比较理想的催化剂载体。
（3） 隔热材料
多孔陶瓷材料的气孔率高，由于大量气孔的存在，导致它的密度大大降低，导热性能较差，所以常被用来制作隔热保温材料。若是制得的陶瓷材料抗压强度足够大，就可以将其内部的空气除去，使得若该多孔陶瓷材料的隔热性能变得更为可观。
（4） 吸音材料
多孔陶瓷材料内部拥有大量的小孔，由于这些小孔的存在，可以对声音进行部分的吸收，是理想的吸音材料。在日常的生活中，多孔陶瓷材料对于改善声环境和噪声控制方面有着十分显著的作用[29]。多孔陶瓷材料，孔隙很多，可能充分的利用声音传播的性质，加大声音的漫反射，可以很好的减少噪音污染。
（5） 生物工程材料
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多孔陶瓷材料特殊的性能，使得它能够被用来制作生物工程材料[30]。它拥有优良的生物相容性，性质稳定，对生物体无毒无害。除神经系统的人体器官外，几乎所有的人体器官都能够用人造材料来代替，因此在未来多孔陶瓷在生物工程领域的应用将会是一个比较受人关注的课题。
（6） 其他应用
多孔陶瓷材料在医疗诊断、传感器、节能环保等方面也有一定的应用。 1.2.5 多孔陶瓷材料目前存在的问题
多孔陶瓷材料的出现改变了人们的生活。随着多孔陶瓷材料在人们日常生活中日益普遍的使用，人们对它的性能要求也变得十分严格。当然，随之增加的还有生产成本、生产效率、生产工艺等的要求。随着生产设备技术的更新，随之也产生了一些相应的问题，主要体现在以下几个方面[31-35]:
(1) 对多孔陶瓷材料的强度进行有效的提升，正确处理好气孔率和强度两者之间的关系 ，对于气孔结构和强度之间的联系建立有效的模型。对于多孔陶瓷的制备工艺进行有效的改良，整合多种制备方法。利用整合之后的制备方法，从而让多孔陶瓷材料趋向于 ―多功能‖化方向发展。
(2) 正确解决好其跟周围环境之间的问题。在实际的操作中，经过利用之后的材料中的某些物质对环境会造成较为严重的污染。对制作材料的成本进行控制，改善生产工艺获得较高的生产效率，改良制备方法使之逐步规模化、产业化。
(3) 多孔陶瓷材料的理化性质的表征方法有待进行改进。目前比较常用的BET、SEM、压汞法和气体渗透实验等方法虽各有特点，但缺陷很明显，很难进行全面表征。多孔陶瓷材料在过滤分离这方面的已有广泛应用，但该项研究技术的安全可靠性还有望进一步加强。
(4) 对多孔陶瓷材料内部的孔的形貌结构进行控制，从而使得对它的体积密度和孔的特性进行严格控制，包括对气孔率和孔径分布的系统分析。
(5) 由于多孔陶瓷的制备涉及的学科范围比较广泛，诸如表面与有机化学、无机化学、胶体化学、生物化学、催化等，所以要加强其与其它学科之间的交叉研究[36]。
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1.2.6 多孔陶瓷材料的发展前景
多孔陶瓷材料由于其自身的一些独特的性能及内部多孔的结构，越来越受到人们的关注，有关多孔陶瓷与其它领域的研究也越来越多。目前，对于多孔陶瓷材料而言，不仅国内，期在国外的关注度也越来越高。从上世纪五十年代我国就开始研究陶瓷的生产及应用的[37]，最近几年，伴随着多孔陶瓷材料的广泛应用，与其相关的技术也得到了极大的提高。而在另一方面，随着工业的发展，堆积大量的工业废弃物使得大片的土地被占用，并对当地的环境造成了较为严重的污染[38]。同时，这对于企业的可持续发展也是一种限制。如果能够利用这些工业废弃物研发出高品质环保陶瓷材料，那将是各个一举两得的结果。近年来，我国在新材料的研制方面已投入了大量的人力物力财力，特别是有关于高新技术产业的应用，新材料成为了最具有活力的新的经济增长点[39]。随着工业的发展，人们对于功能材料的需求越来越多，因而多孔陶瓷材料必将是一种极具开发潜质的材料。
1.3 本重金属废水处理 1.3.1 重金属废水的危害
在日常生活中，水所发挥的作用没有任何一种物质可以将其替代。随着世界经济和人类社会的发展，人们对于水的需求与日俱增。在工业生产过程中，水的需求量十分巨大，随之而产生的废水量也十分庞大。这些废水往往由于经济问题没有得到适当的处理，利用率低下，导致了水体环境的也受到严重污染，导致无水可用，这种现象在许多国家和地区之间发生。水资源短缺会伴随一系列其它危机。对于矿山废水而言，具有污染情况严重、治理方法困难、控制复杂等特点。目前，工业废水得不到正确的处理在我国是十分普遍的现象，并已造成了极大的损失 [40]。目前，含有铜、铅、铬、镉、砷等的重金属离子的废水的污染在工业上较为普遍，其危害主要有： （1） 铜离子污染的危害
铜元素作为生物体所必需微量元素之一铜，它对生物体的正常生长发育起着举足轻重的作用，因而不可或缺，然而，若是体内的铜含量超过一定的量，这些过量的铜长期便会长期沉积于生物体重要器官处，尤其会对消化系统造成一定的刺激，引发一系列的不良反应。过量的铜离子对肝脏的损害最为明显，长时间饮用铜离子超标的水会造成肝硬化，尤其是当有
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