低成本陶瓷膜支撑体的制备与性能研究

摘要

无机陶瓷膜具有耐高温、化学稳定性好、机械强度高、孔径可控、污染小和使用寿命长等有机聚合物膜所不具有的优点，在产品分离、提纯，废气、废液处理等领域已日益受到关注。目前，国内外已商品化的多孔陶瓷膜，存在诸多的问题，如成本高、材质种类少、制备困难，严重制约着陶瓷膜的大规模工业应用。本论文从陶瓷分离膜的低成本化出发，研究了低成本多孔陶瓷支撑体的制备和性能表征，制备出若干具有一定实用价值的低成本多孔陶瓷支撑体。文章内容主要包括如下几个方面：
　　 1.管状多孔堇青石陶瓷膜支撑体的制备与性能研究
　　 作为经典陶瓷材料的堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)有诸多优点，低的热膨胀系数使其多应用于耐火材料和汽车尾气催化剂载体，尤其是原料来源广、价格低廉使得堇青石陶瓷能够得到极大可能的推广。本工作运用粗细粉混用法，详细地研究了堇青石粗细粉比例及烧结温度对堇青石陶瓷支撑体强度、纯水通量等的影响，并考察了其耐碱性能。针对一般工业应用多是通过改变膜滤器上、下游之间的压力差以调节料液流速这一特点，本文采用相对于三点法更直观、更实用的爆破法来表征支撑体的强度。该法测得的爆破强度，是支撑体破裂时所能承受的最大内外压差。另外，用爆破法测定时，很容易发现管式支撑体是否存在个别大孔洞的缺陷。
　　 该实验结果表明，细粉含量20wt.％、1400℃烧结所得的支撑体综合性能较好：纯水通量为10.3 m3·m-2·h-1，爆破压力为2.21 MPa。耐碱试验之后其爆破压力仍可达1.85 MPa，表明其还具有良好的耐碱性能，适合碱性条件下的工业应用。
　　 2.管状多孔莫来石-刚玉膜支撑体的制备及性能研究
　　 莫来石(3Al2O3·2SiO2)是Al2O3-SiO2系中唯一稳定存在的二元结晶相化合物，具有优异的耐酸碱腐蚀性、低热膨胀系数、高熔点等特点，因此其作为一种优良的无机膜材料日益受到重视。通过沉淀法制备碳酸铝铵超细粉体均匀包裹的氧化铝粉体，经煅烧后，得到氧化铝超细粉体包裹的氧化铝粉体。令其与纳米二氧化硅按一定比例先经过球磨混合，预烧，添加适当的粘结剂和造孔剂，再经捏合、陈腐等，制备出莫来石-刚玉膜支撑体。
　　 实验结果表明，二氧化硅加入量为12wt.％，在1550℃烧结所得的膜支撑体综合性能较好：纯水通量为22.2 m3·m-2·h-1，爆破压力为3.40 MPa，开孔率为40.21％，在10 wt.％H2SO4或5wt.％NaOH溶液中，于100℃下浸渍36 h后，支撑体爆破压力仍分别为2.67 MPa和2.89 MPa，表明它还具有良好的耐酸碱性能。
　　 在上述实验基础上，本文还考察了烧结助剂CeO2及La2O3对莫来石-刚玉陶瓷支撑体综合性能的影响。研究结果表明，烧结助剂的加入降低了支撑体的烧结温度(在烧结温度为1650℃时支撑体完全致密)，在烧结温度为1550℃时，支撑体爆破强度和水通量同比均有所增加，其中CeO2和La2O3添加量均为3wt.％时，支撑体的综合性能最好：爆破强度为4.57 MPa，水通量为38.04 m3·m-2·h-1，而其孔径几乎不变，约为10.7μm，耐酸、碱强度保持率分别为88.4％和86.8％，这表明CeO2和La2O3极大的提高了莫来石-刚玉膜支撑体的耐酸腐蚀性能。
　　 3.莫来石-刚玉陶瓷膜支撑体经济技术分析
　　 由原料成本、烧结温度及适用的广泛性等方面考虑，将稀土掺杂的莫来石-刚玉膜支撑体与氧化铝膜支撑体进行了综合比较。结果表明，相比于氧化铝支撑体，在特定的领域里，低价格、低膨胀性的莫来石-刚玉膜支撑体具有一定的应用前景。