一种多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体、其制备方法及应用

摘要

本发明公开了一种多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体、其制备方法及应用，将氧化铝陶瓷骨料，造孔剂，分散剂和凝胶注模粘结剂混合后，球磨，加入RO水，加热至40～85℃，球磨4～20h，得到浆料；维持浆料温度为40～85℃，真空除泡后，将浆料注入成型模具中，在0～40℃下原位成型，得到湿坯；脱模，室温阴干，40～100℃烘干，空气气氛中1000～1700℃保温烧结1～4h后，即得所述之多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体。本发明采用凝胶注模成型，适用范围广，成本低廉，工艺过程易控制，得到的坯体强度高，有机物含量低，可直接烧结，性能均匀性好；制备的多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体总体孔隙率高，过滤通量高，无毒环保。

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷膜技术领域，具体涉及一种多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体、其制备方法 及应用，其可用于替代目前常用于膜生物反应器中的有机平板膜或中空纤维膜。

背景技术

膜生物反应器中使用的有机膜存在机械、化学和热稳定性低的缺点，使其在苛刻体系中的 应用受到限制。与有机膜相比，无机陶瓷平板膜除具有有效的截留作用外，还具有耐高温、耐 溶剂、耐酸碱腐蚀、高机械强度、长寿命、高分离效率及易清洗可再生等优点，可实现对污水 深度净化，深度除磷脱氮。由于无机陶瓷平板膜优异的性能，许多企业已开始研发推广这一应 用技术，目前这一技术的应用已越来越广泛。

目前国内仅有少数几家企业生产陶瓷平板膜，市场上常见的产品是日本株式会社明电舍生 产的陶瓷平板膜组件。

CN102596374A和CN102858440A公开了日本株式会社明电舍采用陶瓷平板膜组装的膜分离 装置，通过特殊的模块化设计，降低过滤负荷及膜孔堵塞，提高膜装置分离效率。CN102688700A 公开了一种陶瓷平板膜支撑体及其制备方法，所述陶瓷平板膜所述陶瓷膜支撑体呈平板状，由 两个平板膜支撑体组成，两个平板膜支撑体中间留有一定的空间，在所述空间中分布着至少一 个支撑柱，在平板膜支撑体中设置至少一个出水通道，采用将原材料混炼后挤出成型的制备工 艺制得。CN103381338A公开了一种陶瓷平板膜支撑体及其制备方法，其陶瓷平板膜支撑体包含 2层平板膜、左侧壁、右侧壁和至少一个位于2层平板膜之间的支撑柱；平板膜为不对称结构， 包括海绵孔结构的表层和指状孔结构的内层；所述陶瓷平板膜支撑体经过制备浆料，相转化法 制膜，模压法成型，烧结得到。CN104258737A具体涉及一种大尺寸薄壁中空平板陶瓷膜的制备 方法，其采用挤出成型平板膜支撑体，通过使用纳米二氧化硅分散液包覆α-Al2O3粉体，降 低平板膜支撑体的烧结温度，提高平板膜的成品率；分离膜层采用纳米硅溶胶修饰的陶瓷粉体 粒子，将粒子表面圆润球形化，降低孔道过滤阻力小，提高水通量。

上海海事大学采用干压成型法和固态粒子烧结法制备圆板型氧化铝陶瓷支撑体，采用浸渍 提拉工艺制备陶瓷微滤膜，探讨涂膜液中固含量对膜孔径及纯水通量的影响，并研究涂层工艺 及烧成制度对膜形成的作用。同时对微滤膜的孔径大小及分布，膜孔隙率、纯水通量及抗弯强 度等性能进行表征。陕西科技大学采用模压成型法，以氧化铝、高岭土和滑石等为原料，制备 了平板式陶瓷膜；并通过制备过渡层、分离层控制陶瓷膜孔径；将其所制备的平板陶瓷膜进行 含油废水、印染废水等领域的应用，并得到了较好的应用效果。

综合现有的专利、文献研究和市场产品，可以发现，板式陶瓷膜支撑体的主要成型方式有 两种，一种是挤出一次成型，这种成型方式生产效率高，但是模具成本高昂，且膜板的宽度、 厚度受限制较大，膜板的规格尺寸有限；挤出成型为压力成型，且原料的粒度较细，挤出时， 坯体整体会较密实，孔隙率较低，最终造成过滤通量较低。另外一种是以模压成型先制备两个 半边膜，再用黏合的方式成型整体平板膜。这种工艺操作复杂、生产效率低、黏合处烧结易开 裂、成品率低，且生产过程中的有机溶剂、粘合剂对环境会造成较大污染，有害于生产人员健 康。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑 体、其制备方法及应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：

一种多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体的制备方法，包括：

1)按质量份数计，将80～95份平均粒径为1～200μm的氧化铝陶瓷骨料，1～5份造孔 剂，1～5份分散剂和1～10份凝胶注模粘结剂混合后，球磨2～4h，得到混合粉末，按混合 粉末与RO水的体积比为1～2.2:1的比例加入RO水，加热至40～85℃，球磨4～20h，得到 浆料；所述凝胶注模粘结剂为明胶、琼脂糖、琼胶、果糖、爱尔兰台胶、壳聚糖或蛋白质；

2)维持浆料温度为40～85℃，真空除泡后，将浆料注入成型模具中，在0～40℃下原位 成型，得到湿坯；所述成型模具中设有用于形成支撑体中贯穿相对侧壁的通道的若干管状或棒 状模具；

3)将上述湿坯脱模，室温阴干1～5天，40～100℃烘干1～5天，空气气氛中1000～1700℃ 保温烧结1～4h后，即得所述之多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体，其孔隙率为30～70％，平 均孔径为0.25～50μm，抗压强度为20～40MPa。

一实施例中：所述步骤1)中，造孔剂为淀粉、活性炭粉或石墨粉中的至少一种。

一实施例中：所述步骤1)中，分散剂为羧甲基纤维素、甲基纤维素、聚乙烯醇或聚乙二 醇中的至少一种。

一实施例中：所述步骤2)中，通道的横截面形状为圆形、椭圆形、方形、矩形或任意多 边形；所述通道为若干个且排列成一层或若干层，所述一层有一个或若干个通道。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：

一种多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体，所述多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体呈平板状，设 有贯穿相对侧壁的通道，其孔隙率为30～70％，平均孔径为0.25～50μm，抗压强度为20～ 40MPa；该多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体由凝胶注模成型法制备，其原料按质量份数计，包 括80～95份平均粒径为1～200μm的氧化铝陶瓷骨料，1～5份造孔剂，1～5份分散剂，1～ 10份凝胶注模粘结剂，及与上述组分的体积比为1～2.2:1的RO水；所述凝胶注模粘结剂为明 胶、琼脂糖、琼胶、果糖、爱尔兰台胶、壳聚糖或蛋白质。

一实施例中：所述造孔剂为淀粉、活性炭粉或石墨粉中的至少一种；

一实施例中：所述分散剂为羧甲基纤维素、甲基纤维素、聚乙烯醇或聚乙二醇中的至少一 种。

一实施例中：所述通道的横截面形状为圆形、椭圆形、方形、矩形或任意多边形；所述通 道为若干个且排列成一层或若干层，所述一层有一个或若干个通道。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之三是：

根据上述多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体的制备方法所制备的多通道氧化铝平板陶瓷膜 支撑体在制备陶瓷膜中的应用。

一实施例中：所述陶瓷膜包括所述多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体及通过悬浮浆料浸渍- 涂覆法、浸浆涂覆法、溶胶-凝胶法、喷涂法、淋涂法或刷涂法制备于该支撑体上的膜层。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

1.本发明的制备方法采用凝胶注模成型，适用范围广，对粉体无特殊要求，成本低廉；工 艺过程易控制，可实现近净尺寸成型，制备出复杂形状的部件；得到的湿坯体强度高，明显优 于传统成型工艺所制的坯体，可进行机械加工；且有机物含量低，可直接烧结，无需单独排胶； 坯体和烧结体性能均匀性好。

2.本发明制备的多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体总体孔隙率高，过滤通量高，无毒环保。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体的横截面示意图。

图2为本发明的多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体的俯视图。

附图标记：本体1，通道2。

具体实施方式

下面通过实施例具体说明本发明的内容：

实施例1

1)按质量份数计，将95份平均粒径为185μm的氧化铝陶瓷骨料，1份粒径20μm的造 孔剂活性炭粉，1份分子量为2000的分散剂聚乙烯醇(PVA)粉末和3份纯度为98％的凝胶注 模粘结剂明胶粉末混合后，球磨2～4h，得到混合粉末，按混合粉末与RO水的体积比为2.2:1 的比例加入RO水，水浴加热至85℃，球磨20h，得到浆料；

2)维持浆料温度为80℃，真空除泡后，立即将浆料注入平板膜成型模具中，在20℃下原 位成型，得到湿坯；所述成型模具中设有用于形成支撑体中贯穿相对侧壁的通道的若干管状或 棒状模具；

3)将上述湿坯脱模，室温阴干24h，80℃烘干48h，空气气氛中1650℃保温烧结2h后， 即得所述之多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体，孔隙率为68％，平均孔径为36μm，抗压强度 为35MPa。

经检测，在0.1MPa的压力下，本实施例的多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体纯水通量为26 m³/m²h。

如图1和图2所示，本实施例的多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体包括一平板状的本体1， 该本体1中具有若干贯穿相对侧壁的通道2，该通道2的横截面形状为圆形、椭圆形、方形、 矩形或任意多边形，且可排列成一层、两层或更多层；每一层有一个或若干个通道。

将本实施例的多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体通过悬浮浆料浸渍-涂覆法制备一层孔径为 500nm的氧化铝平板膜，在0.1MPa的压力下，该氧化铝平板膜纯水通量为9.8m³/m²h。

实施例2

1)按质量份数计，将80份平均粒径为1μm的氧化铝陶瓷骨料，5份粒径1μm的造孔 剂淀粉，5份分子量为1000的分散剂聚乙二醇(PEG)粉末和10份纯度为98％的凝胶注模粘结 剂琼胶粉末混合后，球磨4h，得到混合粉末，按混合粉末与RO水的体积比为1.5:1的比例加 入RO水，水浴加热至45℃，球磨18h，得到浆料；

2)维持浆料温度为45℃，真空除泡后，立即将浆料注入平板膜成型模具中，在15℃下原 位成型，得到湿坯；所述成型模具中设有用于形成支撑体中贯穿相对侧壁的通道的若干管状或 棒状模具；

3)将上述湿坯脱模，室温阴干72h，60℃烘干120h，空气气氛中1350℃保温烧结2h 后，即得所述之多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体，孔隙率为42％，平均孔径为0.25μm，抗 压强度为26MPa。

经检测，在0.1MPa的压力下，本实施例的多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体纯水通量为16 m³/m²h。

如图1和图2所示，本实施例的多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体包括一平板状的本体1， 该本体1中具有若干贯穿相对侧壁的通道2，该通道2的横截面形状为圆形、椭圆形、方形、 矩形或任意多边形，且可排列成一层、两层或更多层；每一层有一个或若干个通道。

将本实施例的多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体通过喷涂法制备一层孔径为50nm的氧化铝 平板膜，在0.1MPa的压力下，该氧化铝平板膜纯水通量为3m³/m²h。

实施例3

1)按质量份数计，将90份平均粒径为100μm的氧化铝陶瓷骨料，3份粒径10μm的造 孔剂活性炭粉，2份分子量为2800的分散剂甲基纤维素(MC)粉末和5份纯度为98％的凝胶注 模粘结剂琼脂糖粉末混合后，球磨3h，得到混合粉末，按混合粉末与RO水的体积比为1.8:1 的比例加入RO水，水浴加热至75℃，球磨12h，得到浆料；

2)维持浆料温度为75℃，真空除泡后，立即将浆料注入平板膜成型模具中，在25℃下原 位成型，得到湿坯；所述成型模具中设有用于形成支撑体中贯穿相对侧壁的通道的若干管状或 棒状模具；

3)将上述湿坯脱模，室温阴干48h，65℃烘干100h，空气气氛中1550℃保温烧结3h 后，即得所述之多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体，孔隙率为62％，平均孔径为26μm，抗压 强度为26MPa。

经检测，在0.1MPa的压力下，本实施例的多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体纯水通量为20 m³/m²h。

如图1和图2所示，本实施例的多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体包括一平板状的本体1， 该本体1中具有若干贯穿相对侧壁的通道2，该通道2的横截面形状为圆形、椭圆形、方形、 矩形或任意多边形，且可排列成一层、两层或更多层；每一层有一个或若干个通道。

将本实施例的多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体通过喷涂法制备一层孔径为100nm的氧化 铝平板膜，在0.1MPa的压力下，该氧化铝平板膜纯水通量为7.5m³/m²h。

本领域技术人员可知，当本发明的技术参数在如下范围内变化时，可以预期得到与上述实 施例相同或相近的技术效果：

一种多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体的制备方法，包括：

1)按质量份数计，将80～95份平均粒径为1～200μm的氧化铝陶瓷骨料，1～5份造孔 剂，1～5份分散剂和1～10份凝胶注模粘结剂混合后，球磨2～4h，得到混合粉末，按混合 粉末与RO水的体积比为1～2.2:1的比例加入RO水，加热至40～85℃，球磨4～20h，得到 浆料；所述凝胶注模粘结剂为明胶、琼脂糖、琼胶、果糖、爱尔兰台胶、壳聚糖或蛋白质；

2)维持浆料温度为40～85℃，真空除泡后，将浆料注入成型模具中，在0～40℃下原位 成型，得到湿坯；所述成型模具中设有用于形成支撑体中贯穿相对侧壁的通道的若干管状或棒 状模具；

3)将上述湿坯脱模，室温阴干1～5天，40～100℃烘干1～5天，空气气氛中1000～1700℃ 保温烧结1～4h后，即得所述之多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体，其孔隙率为30～70％，平 均孔径为0.25～50μm，抗压强度为20～40MPa。

所述步骤1)中，造孔剂为淀粉、活性炭粉或石墨粉中的至少一种。

所述步骤1)中，分散剂为羧甲基纤维素、甲基纤维素、聚乙烯醇或聚乙二醇中的至少一 种。

所述步骤2)中，通道的横截面形状为圆形、椭圆形、方形、矩形或任意多边形；所述通 道为若干个且排列成一层或若干层，所述一层有一个或若干个通道。

一种多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体，所述多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体呈平板状，设 有贯穿相对侧壁的通道，其孔隙率为30～70％，平均孔径为0.25～50μm，抗压强度为20～ 40MPa；该多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体由凝胶注模成型法制备，其原料按质量份数计，包 括80～95份平均粒径为1～200μm的氧化铝陶瓷骨料，1～5份造孔剂，1～5份分散剂，1～ 10份凝胶注模粘结剂，及与上述组分的体积比为1～2.2:1的RO水；所述凝胶注模粘结剂为明 胶、琼脂糖、琼胶、果糖、爱尔兰台胶、壳聚糖或蛋白质。

所述造孔剂为淀粉、活性炭粉或石墨粉中的至少一种；

所述分散剂为羧甲基纤维素、甲基纤维素、聚乙烯醇或聚乙二醇中的至少一种。

所述通道的横截面形状为圆形、椭圆形、方形、矩形或任意多边形；所述通道为若干个且 排列成一层或若干层，所述一层有一个或若干个通道。

根据上述多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体的制备方法所制备的多通道氧化铝平板陶瓷膜 支撑体在制备陶瓷膜中的应用。

所述陶瓷膜包括所述多通道氧化铝平板陶瓷膜支撑体及通过悬浮浆料浸渍-涂覆法、浸浆 涂覆法、溶胶-凝胶法、喷涂法、淋涂法或刷涂法制备于该支撑体上的膜层。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明 专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。