高铝粉煤灰多孔陶瓷膜管的制备及其性能研究

摘要

陶瓷膜管的结构包含支撑体，过渡层和过滤层三个部分。本文以固体废弃物高铝粉煤灰为原料，使用添加造孔剂的方法制备高铝粉煤灰陶瓷膜管支撑体，探究其中间过渡层陶瓷膜和过滤层陶瓷膜的涂覆和烧结工艺。使用一系列手段对高铝粉煤灰多孔陶瓷的物相组成、抗弯强度、孔隙率、孔径分布以及显微形貌等方面进行表征和测试，并使用Makipirtti-Meng经验速率方程分析高铝粉煤灰多孔陶瓷的烧结动力学。高铝粉煤灰多孔陶瓷膜管在过滤性能和机械强度方面与传统的氧化铝多孔陶瓷膜管相媲美，但是其制造成本大大降低，不仅可以解决令人头疼的固体废弃物环境污染问题，还可以“以废治废”，具有较高的社会意义以及一定的经济价值。
　　本文以高铝粉煤灰为原料，淀粉和碱式碳酸镁作为造孔剂，添加高分子粘结剂，分别在1200-1500℃烧结温度下制备5组不同含量的多孔陶瓷样品，并测试其孔隙率、收缩率、气通量、水通量、抗折强度等性能。实验结果表明，烧结温度和造孔剂的种类和含量对多孔陶瓷的性能影响显著。碱式碳酸镁造孔作用明显优于淀粉，且随着造孔剂含量的增高，孔隙率，气通量，水通量逐渐升高，抗折强度略有降低。随着烧结温度的升高，气通量、水通量先增后减，在1350℃时达到最大值4854.24 m3m-2h-1bar-1、48.61 m3m-2h-1bar-1。综合考虑，添加质量分数为20％的碱式碳酸镁作为造孔剂，在1350℃温度下烧结2h，制备得到的高铝粉煤灰多孔陶瓷支撑体性能最佳。
　　使用浸渍涂覆法在高铝粉煤灰支撑体上涂覆粒径为5μm的陶瓷粉体颗粒层，获得平均孔径为1.22μm的中间过渡层;涂覆粒径为500hm的陶瓷粉体颗粒层获得平均孔径为0.45μm的过滤层陶瓷膜。通过对其力学性能、过滤性能以及显微形貌的研究，探讨得出:中间过渡层陶瓷膜在1400℃温度时烧结2h，过滤层陶瓷膜在1000℃温度时烧结2h得到的氧化铝陶瓷膜具有较佳的机械性能，抗弯强度为8.31MPa，能够满足日常工作需求;同时它还具有良好的渗透性，其气通量为2222.2m3m-2h-1bar-1，孔径分布窄，过滤精度高。
　　使用Makipirtti-Meng经验速率方程分析处理高铝粉煤灰多孔陶瓷样品的阶梯等温收缩(SID)数据，计算其烧结活化能。结果发现，高铝粉煤灰多孔陶瓷在烧结过程中只有一种烧结机制:1250-1400℃，其烧结活化能为679.28kJ/mol。烧结机理可以理解为高铝粉煤灰中的Al2O3和SiO2随着温度的升高逐渐转变为莫来石(3 Al2O3·2SiO2)的烧结过程。此外，该计算结果进一步验证了陶瓷原料物相越复杂，杂质越多，烧结活化能越高的规律。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 高铝粉煤灰概述

1．1．1 高铝粉煤灰的基本性质

1．1．2 高铝粉煤灰产生的环境污染

1．1．3 高铝粉煤灰的应用

1．2 陶瓷膜简介

1．2．1 膜分离过程

1．2．2 陶瓷膜的制备

1．2．3 陶瓷膜的应用

1．3 课题的研究意义及内容

1．3．1 课题的研究意义

1．3．2 课题的主要研究内容

第二章 实验材料及测试方法

2．2 实验仪器

2．2 实验表征仪器及测试方法

2．2．1 主要表征仪器

2．2．2 表征方法及原理

第三章 高铝粉煤灰多孔陶瓷支撑体的制备及性能研究

3．1 引言

3．2 高铝粉煤灰多孔陶瓷支撑体的制备工艺

3．3 造孔剂对高铝粉煤灰多孔陶瓷支撑体性能的影响

3．3．1 造孔剂对高铝粉煤灰多孔陶瓷支撑体孔隙率和抗折强度的影响

3．3．2 造孔剂对高铝粉煤灰多孔陶瓷支撑体孔径的影响

3．3．3 造孔剂对高铝粉煤灰多孔陶瓷支撑体通量的影响

3．4 烧结温度对高铝粉煤灰多孔陶瓷支撑体性能的影响

3．4．1 烧结温度对高铝粉煤灰多孔陶瓷支撑体孔隙率和抗折强度的影响

3．4．2 烧结温度对高铝粉煤灰多孔陶瓷支撑体孔径的影响

3．4．3 烧结温度对高铝粉煤灰多孔陶瓷支撑体通量的影响

3．5 高铝粉煤灰多孔陶瓷膜管的制备

3．6 本章总结

第四章 多孔氧化铝陶瓷膜的制备及性能研究

4．1 引言

4．2 氧化铝浆料的制备

4．2．1 温度对氧化铝浆料的影响

4．2．2 搅拌时间对PVA浆料的影响

4．3 中间过渡层陶瓷膜的性能研究

4．3．1 中间过渡层陶瓷膜的制备工艺

4．3．2 中间过渡层陶瓷膜的力学性能

4．3．3 中间过渡层陶瓷膜的孔径分布

4．3．4 中间过渡层陶瓷膜的显微形貌

4．4 过滤层陶瓷膜的制备和性能研究

4．4．2 过滤层陶瓷膜的性能研究

4．5 本章小结

第五章 高铝粉煤灰多孔陶瓷烧结动力学研究

5．1 引言

5．2 经验公式推导

5．3 高铝粉煤灰烧结动力学研究

5．3．1 样品制备

5．3．2 数据测量

5．3．3 多孔陶瓷烧结活化能系统对比

5．4 本章总结

第六章 全文总结及展望

6．1 全文总结

6．2 远景展望

参考文献

攻读硕士学位期间的成果情况