快速升温法制备陶瓷超滤膜的研究

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1、快速升温法制备陶瓷超滤膜的研究时间:2010-05-2409:57来源:论文集作者:杨桂忠杨座国虞点击:39次　　    无机陶瓷膜是一种重要的无机膜，由于其制备原料丰富、耐高温、耐腐蚀性能优异，因此占据了较大的无机膜市场份额[1-2]。但是陶瓷膜相对于有机膜的制造成本较高，其应用受到了一定的限制。通常陶瓷膜的制备分为两步，一是支撑体的制备[3-5]，二是分离层的制备。首先制备具有较大孔径的支撑体，再通过溶胶-凝胶法[6-8]、化学气相沉积法等方法在支撑体表面涂层，形成具有两层或两层以上的不对称结构的

2、陶瓷膜。涂层厚度一般只有几十纳米到几微米[9]，在分离过程中起主要分离作用。一般支撑体和分离层的制备分开进行，而烧结过程在整个陶瓷膜制备成本中比重大，多次烧结使陶瓷膜的成本明显上升。因此，降低烧结次数对降低陶瓷膜制备成本作用明显。本实验采用一步法制备工艺，直接在支撑体生坯上浸涂溶胶，经干燥后一步烧结，制备具有不对称结构的陶瓷膜。 1实验部分1.1实验原料与仪器 氯化铝（AR）、异丙醇铝（AR）、氨水（CP）、盐酸（CP，国药集团化学试剂有限公司）、Al2O3[w(Al2O3)=99%，淄博艳蕊精细陶瓷

3、材料有限公司]、聚乙烯醇（PVA，化学纯，MW=1750±50,上海天莲精细化工有限公司）、聚乙二醇（PEG，化学纯，MW=2000,上海化学试剂公司）、高岭土（上海纳辉干燥试剂厂）、去离子水、马弗炉（自制）。 1.2以氯化铝为原料的勃姆石溶胶制备 在烧杯中将氯化铝溶于去离子水中，待完全溶解后，加入一定量的氨水，抽滤，将洗净的沉淀移入锥形瓶中，加入去离子水，加热至90℃，恒温5min后加入一定量的胶溶剂，恒温老化一定时间，得到透明的淡蓝色溶胶。在老化过程中，加入水补偿蒸发损失。 1.3以异丙醇铝为原料

4、的勃姆石溶胶制备 将异丙醇铝研细加入锥形瓶中，90℃下水解2h。然后加入一定量的胶溶剂，恒温老化4h。在老化过程中，加入水补偿蒸发损失。经老化的溶胶常温下放置2d，将上部溶胶倒入另一容器中，抛弃底部沉淀。溶胶浓度通过将溶胶在600℃烧结测定残余物质量来计算。1.4陶瓷膜的制备 以有机物PEG、PVA为造孔剂，高岭土和勃姆石溶胶为烧结降温剂，将溶解好的PVA水溶液与氧化铝粉、PEG、高岭土等混合，加入自来水调节泥料湿度。混合泥料并反复炼泥，再陈化24h，然后用挤出成型机挤出陶瓷管生坯。生坯在40-70℃

5、下干燥24h以上。采用灌浆法，将制备好的溶胶灌入未烧结的支撑体生坯上涂膜，控制涂膜时间的长短来控制膜的厚度，使浸渍溶胶均匀分布于生坯支撑体的内表面，先自然干燥，再放入干燥箱中干燥。把干燥后的膜管放入马弗炉中，严格控制升温速度，当温度升到1200℃后，恒温2h，然后自然冷却至室温。 2支撑体及超滤膜的性能测试 纯水通量:Q=V/AtΔP，式中，V：液体透过总量，L／h；A：膜的有效面积，m2；t：过滤时间，h；ΔP：膜操作两侧的压力差，MPa。膜的截留率:R=(1-Cp／C0)×100％，式中，R：截留

6、率，％；Cp：渗透液中溶质浓度，g／L；C0：原液中溶质浓度，g／L。PVA1750的浓度为0.6g／L。膜管的孔隙率：ε=(G2－G1)/V，式中，G1：干燥膜管质量，g；G2：水饱和膜管在空气中的质量，g；V：膜管的体积，mL；ε：支撑体的孔隙率，％。膜的厚度：δ=（W2-W1）/Sε，式中，δ：膜厚，μm；W1：涂膜前膜管重，kg；W2：涂膜后膜管重，kg;S:膜管内表面，m2;ε:涂层α-Al2O3孔隙率，取50%。3结果与讨论3.1干燥添加剂（DCCA）的影响 成膜过程的开裂原因，除了与勃姆

7、石溶胶的具体属性有关外，溶胶转化为凝胶过程、凝胶的干燥过程对成膜的缺陷控制至关重要，这是因为溶胶向凝胶转变及凝胶层干燥过程中胶体的形状与体积发生了一系列变化，体积的收缩产生的应力使胶体颗粒可能与支撑体表面开裂脱落。DCCA具有防止凝胶在干燥过程中开裂的作用，文献报道了PVA具有降低烧结缺陷的作用[10-11]。表3是先用1.6%PVA1750溶液对生坯内管进行预涂处理，再进行涂膜。表4是PVA浓度为1%和0.5%的氯化铝制勃姆石溶胶涂膜结果  表1、表2分别为PVA加入对异丙醇铝制溶胶和氯化铝制溶胶膜

8、缺陷的影响。表1和表2的数据表明，将PVA直接加入异丙醇铝和氯化铝制勃姆石溶胶中，能够延长涂膜时间，有效改善涂层烧结的完整性，添加1%PVA改性的0.3mol/L异丙醇铝溶胶有效涂膜时间为25s，添加1%PVA改性的0.3mol/L氯化铝铝溶胶有效涂膜时间为6s。从氯化铝和异丙醇铝的价格和它们制备勃姆石工艺过程看，氯化铝价格更低、水解速度快、胶溶时间短，更容易制备勃姆石溶胶，因此用氯化铝为原料制备勃姆石溶胶用于陶瓷膜的制备更有成本优势。3.2溶胶浓度对膜