几种非金属矿物陶瓷分离膜的制备和表征

《几种非金属矿物陶瓷分离膜的制备和表征》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、几种非金属矿物基陶瓷分离膜的制备和表征张学斌，任祥军，刘杏芹，孟广耀(中国科技大学固体化学与无机膜研究所，安徽合肥230026)[摘要]多孔陶瓷膜的应用广泛，但是由于制造成本高，推广使用受到制约。为了降低多孔陶瓷的成本，并开发多孔陶瓷膜的新功能、新用途，本实验室以廉价非金属矿物(天然沸石、硅藻土和粉煤灰等)为原料，采用合适的制备工艺，以高温除尘和工业废水处理为主要研究方向，制备出新型的多孔陶瓷膜，并对其性能进行了表征。[关键词]多孔陶瓷膜；天然沸石；硅藻土；粉煤灰；堇青石1引言无机膜与广泛商品化的高聚物膜相比，由于耐高温、化学性能稳定、耐腐蚀、力学强度高、结构稳定易再生等优点，因而更适合在

2、高温或其他恶劣环境中的应用，特别是生物技术、石油化工膜反应器和高温气体分离等方面。作为无机膜的一种，多孔陶瓷膜在能源和环境领域有着广泛的应用，在过滤与分离的应用中，更凸显出多孔陶瓷分离膜绿色环保的特性。各种废气、城市生活污水和工业废水都需要进行相应的过滤和分离才能够重复使用或者排放到自然环境中，多孔陶瓷分离膜则在若干情况下扮演着“环境净化使者”的角色。高温废气的除尘也是多孔陶瓷的一个应用典范。在发达国家，利用多孔陶瓷除尘是一种最新、最有效的高温烟气除尘技术，我国有热电厂几百座、工业锅炉几十万台，每年排放的烟尘高达1亿t以上，造成严重的环境污染，如果采用多孔陶瓷除尘将带来巨大的环保效益和经济

3、效益。目前，产业化的陶瓷分离膜，如多孔氧化铝、氧化锆、碳化硅膜等，多以纯化学或工业试剂为原料。一方面，由于纯物质的烧结活性低，材料必须在高温下烧结，工艺要求严格，产品的生产成本也随之增高。例如，纯的堇青石的生成温度范围仅有5℃,给生产带来困难，另一方面，这些原材料的成本很高，最终会导致产品的高成本，从而影响到多孔陶瓷膜的推广应用，尤其是制约了在需求量大的环境保护方面的应用推广。中国是陶瓷的发祥地，而陶瓷最初的原料就是天然的粘土矿物。但是，迄今为止，以天然矿物为原料来研制多孔陶瓷膜的报道却很少见到。天然矿物来源广泛，价格低廉，烧结活性高，且在低温下就可以烧结。如果以天然矿物为原料，生产陶瓷分

4、离膜，不仅可以降低原材料的成本，而且可以降低烧结温度，简化生产工艺，最终降低产品的成本。从而促进多孔陶瓷分离膜的推广，并使之为中国的环境保护事业发挥更为广泛的作用。另一方面，天然矿物还具有人工原料所不具有的物理化学性能，例如，独特的微结构，离子交换吸附性能等。人工原料陶瓷过滤器利用的是颗粒间孔洞进行过滤，而选择合适天然非金属矿制备陶瓷过滤器，不仅可以利用颗粒间孔，而且可以利用颗粒的内部微孔，同时，过滤器与被过滤介质之间特有的物理化学反应，也可以被选择开发和利用。本实验室长期从事无机膜的研究开发工作，所开发的Al2O3，ZrO2和TiO2基质的多孔陶瓷分离膜已经实现产业化。最近几年来，我们把

5、目光转移到天然矿物上来，以高温除尘和工业废水处理为主要研究方向，着重研发天然矿物基质的多孔陶瓷分离膜。本实验室曾经以高岭土为主要原料，研制出莫来石基的多孔陶瓷膜。现在的主要原料涉及天然沸石，硅藻土和粉煤灰等。2天然沸石基质多孔陶瓷分离膜以产于安徽某地的天然沸石粉(200目)为原料，以淀粉为造孔剂，辅以一定的粘结剂、防腐剂，加入适量的水，经过捏泥、真空练泥和陈腐，采用挤出成型工艺制备出陶瓷膜管的湿坯，一定程序下干燥以后，利用沸石自身产生的长石为助烧结剂，在较低的烧结温度下，制备出七通道多孔陶瓷分离膜管(膜管直径Φ30mm，通道直径Φ6mm)。样品如图1所示。图2是某温度烧成样品的孔径分布，可

6、以看出，样品的孔径分布很窄，显然，这种分布对于过滤和分离来说是非常有益的。随着烧成温度的升高，孔隙率有所降低，但是都维持在45%以上，完全满足过滤分离对多孔陶瓷孔隙率的要求。在1200℃和1100℃之间烧结样品的3232氮气通量在2400m/m·h·bar左右，水通量在25m/m·h·bar左右。样品的机械强度在28MPa左右。3硅藻土基质多孔陶瓷分离膜采用来源广泛价格低廉的硅藻土为原料，以注浆成型工艺制备出单通道的硅藻土多孔陶瓷分离膜。硅藻土中加入适量的水，无需其他的添加剂就可以获得稳定的浆料，因此我们尝试采用注浆工艺来成型。图3是样品照片。由泡点法测得平均孔径在1μm左右，加入适量淀粉

7、造孔，孔径可以增加至5μm左右。由于硅藻土本身就是多孔的，因此制得的材料孔隙率很高，可以达到50%以上。图3单通道硅藻土多孔陶瓷膜孔径和孔隙率的区别，必然会导致气体通量的差别。为了提高通量，我们在保证强度的32情况下，加入适量的造孔剂，但是样品的氮气通量仍然只有130m/m·h·bar左右。更为主要的是硅藻土多孔陶瓷的抗热震性能很差，所以不适合直接用于高温气体分离。因此我们对硅藻土多孔陶瓷在污水处理方面的应用进行了探讨。