陶瓷工藝學(xué)：第一章 粉體制備與性能表征-粉塵

陶瓷工藝學(xué)

1.5粉塵1.5.1什么是粉塵粉塵（dust）是指懸浮在空氣中的固體微粒。能在氣體中懸浮一定時(shí)間的固體粒子，稱為粉塵。懸浮性是粉塵區(qū)別于一般粉體的基本特性。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織規(guī)定，粒徑小于75μm的固體懸浮物定義為粉塵。粉塵的粒徑范圍很廣，根據(jù)這一定義，陶瓷粉體屬于粉塵的范圍。故陶瓷從業(yè)人員要特別注意粉塵的影響。習(xí)慣上對(duì)粉塵有許多名稱，如灰塵、塵埃、煙塵、礦塵、砂塵、粉末等，這些名詞沒(méi)有明顯的界限。

粉塵的粒徑越小，質(zhì)量越輕，比表面積越大，吸附空氣能力越強(qiáng)，從而形成一層空氣膜，不易沉降，可以長(zhǎng)期懸浮與空氣中。一般來(lái)說(shuō)，在靜止空氣中，由于重力作用下，粒徑大于10微米的粉塵呈加速沉降；粒徑在0.1~10微米的粉塵呈等速沉降；粒徑小于0.1微米的粉塵，基本不沉降。1.5.2粉塵的來(lái)源粉塵幾乎到處可見(jiàn)。可以是產(chǎn)生于自然，如土壤和巖石風(fēng)化后分裂成的細(xì)小顆粒、火山爆發(fā)產(chǎn)生的火山灰，也可以是花粉、孢子以及其他有機(jī)顆粒。除此之外，許多粉塵乃是工業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)漠a(chǎn)品或副產(chǎn)品，如煙囪和內(nèi)燃機(jī)排放的廢氣中的粉塵、糧食工廠生產(chǎn)的面粉等、采石場(chǎng)作業(yè)引起的灰塵。工業(yè)粉塵的來(lái)源如下：(1)固體物質(zhì)的機(jī)械加工或粉碎

如金屬研磨、切削、鉆孔、爆破、破碎、磨粉、農(nóng)林產(chǎn)品加工等。

因機(jī)械過(guò)程（破碎、篩分、運(yùn)輸?shù)龋┒a(chǎn)生的微細(xì)粒子，粒徑0.1~數(shù)百微米。(2)物質(zhì)加熱時(shí)產(chǎn)生的蒸氣在空氣中凝結(jié)或被氧化所形成的塵粒如金屬熔煉、燃燒、焊接、澆鑄等。物質(zhì)升華及冷凝而形成煙塵。

因物理化學(xué)過(guò)程而產(chǎn)生的微細(xì)固體粒子，稱為煙塵。

煙塵的特點(diǎn)是粒度大都比較細(xì)，在1μm以下。(3)有機(jī)物質(zhì)不完全燃燒所形成的微粒如木材、秸稈、油、煤類等燃燒時(shí)所產(chǎn)生的煙塵等。由于我國(guó)的能源稟賦條件所限，一直以來(lái)煤炭都是我國(guó)主要的一次能源，1995年至2011年煤炭在我國(guó)一次能源消費(fèi)中平均占比達(dá)70%左右。這種以煤為主的能源結(jié)構(gòu)決定了煤炭燃燒所產(chǎn)生二氧化碳、二氧化硫、煙塵、粉塵等是造成我國(guó)大氣污染的重要因素。同時(shí)，冶金、水泥、垃圾焚燒等行業(yè)的高速發(fā)展帶來(lái)的煙塵、粉塵排放進(jìn)一步增加了環(huán)境保護(hù)的壓力。據(jù)環(huán)保部數(shù)據(jù)，2010年我國(guó)煙塵排放量為829.1萬(wàn)噸，其中工業(yè)煙塵排放量為603.2萬(wàn)噸。

煙塵、粉塵在采礦、冶金、機(jī)械、建材、輕工、電力等許多工業(yè)部門的生產(chǎn)中均會(huì)大量產(chǎn)生。

燃燒草料、木柴、油、煤等生成的黑煙，稱為煙霧。

煙霧粒徑很細(xì)，甚至在0.5μm以下。(4)鑄件的翻砂、清砂過(guò)程粉狀物質(zhì)的混合、過(guò)篩、包裝、搬運(yùn)等操作過(guò)程中形成粉塵；

由于振動(dòng)或氣流運(yùn)動(dòng)，使沉積的粉塵重又浮游于空氣中(產(chǎn)生二次揚(yáng)塵)。1.5.3粉塵分類可以根據(jù)許多特征進(jìn)行分類。

在大氣污染控制中，根據(jù)大氣中粉塵微粒的大小可分為：1）飄塵

系指大氣中粒徑小于10μm的固體微粒。

它能較長(zhǎng)期地在大氣中漂浮，有時(shí)也稱為浮游粉塵。

英文縮寫(xiě)為PM10。2）降塵

系指大氣中粒徑大于10μm的固體微粒。

在重力作用下，它可在較短的時(shí)間內(nèi)沉降到地面。3）總懸浮微粒

系指大氣中粒徑小于100μm的所有固體微粒。也被稱為總懸浮顆粒物，英文縮寫(xiě)為TSP。1.5.4粉塵的作用1）降水

空氣中的粉塵，它能吸附水汽，并以非均勻形核的形核劑促進(jìn)水滴的形成，使水汽變成云、霧、雪等，形成降水。中國(guó)西、北部地區(qū)干旱加劇，可能與東、南部工業(yè)化造成大量粉塵有關(guān)。西北部的降水所需要的潮濕空氣來(lái)自東、南部的海洋。近些年，東、南部的工業(yè)化進(jìn)展很大，粉塵產(chǎn)量也增加很多。當(dāng)來(lái)自海洋的空氣經(jīng)過(guò)東、南部陸地時(shí)，遇到了太多的粉塵，形成了太多的降雨。到達(dá)西北部時(shí)，攜帶的水蒸氣比以往要少，降水也隨之減少。2）天空的顏色天空呈現(xiàn)的蔚藍(lán)色也是大氣中粉塵作用的結(jié)果。陽(yáng)光由紅，橙，黃，綠，青，藍(lán)，紫七色組成。當(dāng)陽(yáng)光進(jìn)入大氣層后，遇到空中懸浮的粉塵和水汽就發(fā)生散射，波長(zhǎng)越短的光越容易被散射，空氣中粉塵和水汽密度越大散射光越強(qiáng)。而空氣中粉塵和水汽密度是隨海拔高度的增加而減小的，因此在8000m以下的低空，波長(zhǎng)較短的藍(lán)色光大量被散射，人類就可以從地面上看到“秋水共藍(lán)天一色”的壯麗景觀。隨著海拔高度的增加，大氣對(duì)陽(yáng)光的散射能力越來(lái)越弱，8000m以上天空變?yōu)榍嗌?3000m以上是暗紫色的；在20000m以上，由于散射作用消失，天空就變成一片暗黑色。日出和日落也是粉塵之功。當(dāng)太陽(yáng)出升在地平線的時(shí)候，光線穿過(guò)充滿灰塵的大氣，太陽(yáng)比中午直射時(shí)的大得多。這時(shí)，粉塵和水汽把陽(yáng)光中的藍(lán)光和綠光散射了，而波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光則直接穿過(guò)大氣，于是旭日東升或夕陽(yáng)西下的絢麗便歷歷在目。在特定的條件下，粉塵還會(huì)創(chuàng)造出奇特的景觀。1883年，印尼克拉克脫火山爆發(fā)，把大量火山灰拋入天空，那時(shí)該地區(qū)人們看到的太陽(yáng)總是火紅色的，這種景觀持續(xù)了兩年之久。1816年，印尼爪哇火山噴射出的煙塵反射和吸收了大量陽(yáng)光，結(jié)果導(dǎo)致那一年該地區(qū)氣溫的降低，出現(xiàn)了罕見(jiàn)的沒(méi)有夏天的奇跡，即所謂的陽(yáng)傘效應(yīng)。

總之，沒(méi)有粉塵云，霧，雨，雪將不復(fù)出現(xiàn)，火紅的太陽(yáng)和絢麗的彩虹也要消失，自然景觀大為遜色。

3）粉塵對(duì)人類健康的危害粉塵如何進(jìn)入人肺

多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，含塵氣流進(jìn)入人體呼吸系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)歷了以下四個(gè)過(guò)程：a)在經(jīng)過(guò)上呼吸道的鼻腔、咽喉、氣管時(shí)，由于慣性碰撞作用，含塵氣流中的大于10微米的塵粒沉降在途中；沉降下來(lái)的塵粒被鼻腔和氣管粘膜分泌物粘結(jié)，形成痰排除體外；b)在上呼吸道的較大支氣管內(nèi)，通過(guò)慣性碰撞及少量的重力沉降作用，含塵氣流中的5~10微米的塵埃沉積下來(lái)，經(jīng)氣管、支氣管上皮的纖毛運(yùn)動(dòng)，咳嗽隨痰排除體外；因此，真正進(jìn)入下呼吸道的粉塵，其粒徑均小于5微米；c)在下呼吸道的細(xì)小支氣管內(nèi)，由于支氣管分支增多，氣含塵氣流的速度減慢，使部分2~5微米的塵粒依靠重力沉降作用沉積下來(lái)，隨后通過(guò)纖毛運(yùn)動(dòng)逐級(jí)排除體外；d)含塵氣流中剩下的細(xì)小粉塵進(jìn)入呼吸性支氣管和肺內(nèi)，一部分可隨呼氣排除體外；另一部分沉積在肺泡壁上或進(jìn)入肺內(nèi)。進(jìn)入肺內(nèi)的粉塵

殘留在肺內(nèi)的細(xì)小的粉塵，由于顆粒小，化學(xué)活性很強(qiáng)，它們或者被肺泡中的吞噬細(xì)胞吞食，造成吞噬細(xì)胞崩解死亡，使肺泡組織形成纖維病變出現(xiàn)網(wǎng)眼，逐步失去彈性而硬化（即纖維化），無(wú)法擔(dān)負(fù)呼吸作用。當(dāng)肺中沉積的粉塵量增加時(shí)，會(huì)導(dǎo)致漸進(jìn)性的肺纖維化，引起肺功能減退，最終形成肺塵埃沉著病。飄逸在大氣中的粉塵往往含有許多有毒成分，如鉻、錳、鎘、鉛、汞、砷等。當(dāng)這種顆粒吸入肺部，引起中毒性肺炎或矽肺，有時(shí)還會(huì)引起肺癌。沉積在肺部的污染物一旦被溶解，就會(huì)直接侵入血液，引起血液中毒；未被溶解的污染物，也可能被細(xì)胞所吸收，導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞?？晌胄苑蹓m粉塵中含有的微量重金屬元素、放射性元素還會(huì)引起老年性癡呆，白血病等致命性疾病。只有粒徑在2微米以下的粉塵才可以進(jìn)入肺部，產(chǎn)生上述損害。陶瓷粉末粒徑在1～100微米之間，其中較小的顆?？梢晕敕尾?。經(jīng)常接觸較小粒徑粉體的人員，特別是接觸納米粉體的人員，要特別注意對(duì)粉塵的防護(hù)。肺塵埃沉著病簡(jiǎn)稱塵肺病。按吸入粉塵的成分不同，分為5類。炭系肺塵埃沉著病煤、炭黑、石墨和活性炭等炭塵在肺部沉積所產(chǎn)生的疾病。多在煤礦中發(fā)生。肺硅塵埃沉著病SiO2粉塵在肺部沉積所產(chǎn)生的疾病。多出現(xiàn)在礦山、開(kāi)山筑路、開(kāi)鑿隧道、采石以及石英粉廠、玻璃廠、耐火材料廠等處。肺硅酸鹽塵埃沉著病硅酸鹽粉塵在肺部沉積所產(chǎn)生的疾病。多出現(xiàn)在礦山、開(kāi)山筑路、開(kāi)鑿隧道、采石以及水泥廠、玻璃廠、耐火材料廠、陶瓷廠等處。金屬肺塵埃沉著病

金屬粉塵在肺部沉積所產(chǎn)生的疾病。多出現(xiàn)在冶金廠、鑄造廠、焊接廠等。肺混合塵埃沉著病兩種或兩種以上的粉塵在肺部沉積所產(chǎn)生的疾病。最為常見(jiàn)。4）排入大氣的粉塵長(zhǎng)時(shí)間飄浮會(huì)降低大氣能見(jiàn)度。5）粉塵使有價(jià)值的古代建筑遭受腐蝕。6）粉塵降落在植物葉面的粉塵會(huì)阻礙光合作用，抑制其生長(zhǎng)。7）粉塵爆炸與空氣能夠發(fā)生放熱反應(yīng)的物質(zhì)的粉塵可能產(chǎn)生爆炸。爆炸實(shí)例相傳，早在風(fēng)車水磨時(shí)代，就曾發(fā)生過(guò)一系列磨坊糧食粉塵爆炸事故。

到了20世紀(jì)，隨著工業(yè)的發(fā)展，粉塵爆炸事故更是屢見(jiàn)不鮮，爆炸粉塵的種類也越來(lái)越多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1913～1973年間美國(guó)僅工農(nóng)業(yè)方面就發(fā)生過(guò)72次比較嚴(yán)重的粉塵爆炸事故。

1919年俄亥俄州一家淀粉廠發(fā)生粉塵爆炸，廠房幾乎全部被毀，有43人喪生。日本1952～1975年共發(fā)生重大粉塵爆炸事故177次，累計(jì)死亡75人，受傷410人。

1977年美國(guó)路易斯安那州一座現(xiàn)代化糧庫(kù)發(fā)生爆炸，造成一半以上糧食簡(jiǎn)倉(cāng)被毀，連辦公大樓也未幸免，36人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3000萬(wàn)美元。英國(guó)和加拿大在化工和造紙等行業(yè)中也發(fā)生過(guò)多起粉塵爆炸事故，僅英國(guó)就243次，死傷204人。1987年3月15日，哈爾濱亞麻紡織廠發(fā)生的爆炸事故，死亡56人，傷179人，廠房設(shè)備嚴(yán)遭破壞。爆炸機(jī)理

由于粒徑小，表面積大，粉塵的表面能很大，比塊體的穩(wěn)定性大為降低。如一塊1g重的煤其表面積只有5～6c㎡，而1g的煤粉飄塵，其表面積可達(dá)2㎡。。

處在與空氣混合的可燃物質(zhì)的粉塵，化學(xué)穩(wěn)定性很低，若遇明火或高溫物體，極易引發(fā)可燃物質(zhì)的氧化反應(yīng)。而該氧化反應(yīng)一旦啟動(dòng)，就進(jìn)行得十分迅速與徹底，放出的能量更高。其放出的能量不僅有化學(xué)反應(yīng)熱，還有巨大的表面能。釋放出的熱能很快傳遞給相鄰粉塵，從而引起一系列連鎖反應(yīng)，使整個(gè)氣體溫度驟然升高，體積猛烈膨脹，形成很高的膨脹壓力。粉塵發(fā)生爆炸的條件歸納如下：粒徑大小——這是影響其反應(yīng)速度和靈敏度的重要因素。顆粒越小越易燃燒，爆炸也越強(qiáng)烈。粒徑在200μm以下，且分散度較大時(shí)，易于在空中飄浮，吸熱快，容易著火。粒徑超過(guò)500μm，其中并含有一定數(shù)量的大顆粒則不易起爆?；瘜W(xué)成分

有機(jī)物粉塵中若含有COOH，OH，NH2，NO，C=N，C=N和N=N的基團(tuán)時(shí)，發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)性較大；含鹵素和鉀，鈉的粉塵，爆炸趨勢(shì)減弱。爆炸濃度在一個(gè)給定容積中，能夠傳播火焰的懸浮粉塵的最小重量稱為爆炸濃度。

通常，達(dá)到粉塵爆炸濃度的粉塵才會(huì)發(fā)生爆炸。面粉的爆炸濃度約為15～20g/m3，散糧爆炸濃度大約是30～40g/m3。空氣濕度當(dāng)空氣濕度較大時(shí)，親水性粉塵會(huì)吸附水份，從而使粉塵難以彌散和著火，傳播火焰的速度也會(huì)減小。

濕度大的粉塵即使著火，其熱量首先消耗在蒸發(fā)粉塵中的水份，然后才用于燃燒過(guò)程。粉塵濕度超過(guò)30%便不易起爆。有足夠的點(diǎn)火溫度

粉塵爆炸大都起源于外部明火，如機(jī)械撞擊、電焊和切割、靜電火花或電火花、摩擦火花、火柴和高溫體傳熱等。這類火源最低點(diǎn)火溫度為300～500℃。足夠的氧氣粉塵懸浮環(huán)境中需含有足夠維持燃燒的氧氣。粉塵紊動(dòng)程度

懸浮在空氣中的粉塵，紊動(dòng)強(qiáng)度越大，越易吸收空氣中的氧氣而加快其反應(yīng)速率，從而容易爆炸。粉塵爆炸的避免粉塵雖然會(huì)發(fā)生爆炸，但若采取可靠的措施還是可以避免的。

防范的措施應(yīng)著眼于發(fā)爆的條件：控制粉塵濃度；杜絕起燃點(diǎn)；減低空氣中氧的濃度；采取有效降塵措施；建立預(yù)報(bào)系統(tǒng)；設(shè)置爆炸壓力泄放口等。

此外，在管理上建立必要的規(guī)章制度，落實(shí)管理措施也是非常必要的。1.5.5PM2.51）定義大氣中粒徑小于等于2.5μm