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几种新型陶瓷膜材料介绍
2018年12月29日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:517
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陶瓷膜以耐高温、耐高压和耐腐蚀等性能在很多苛刻的应用体系中显示出独特的优势,在石油化工、食品、医药、环境、能源和冶金等领域已成为膜领域发展最为迅速、最有发展前景的品种之一。由于传统的氧化铝、氧化锆、氧化钛等陶瓷膜材料在产业化应用中,高成本和种类偏少限制了其进一步拓展应用领域。因此,开发新的、廉价的陶瓷膜材料对于陶瓷膜技术的应用和推广具有重要意义。

 

对新型陶瓷膜材料的研究,目前主要集中在2方面。人工合成陶瓷膜材料:主要有碳化硅、莫来石、堇青石、石墨烯和陶瓷纤维等。天然陶瓷膜材料:主要有天然沸石、粉煤灰、高岭土和凹凸棒土等。

 

1  陶瓷膜工作示意图

 

一、人工合成陶瓷膜材料

1、 碳化硅

碳化硅具有强度高、导热率高、耐腐蚀和抗氧化等优点,在苛刻的条件下可以保持良好的热稳定性和化学稳定性,并且价格低廉,是开发陶瓷膜材料的选择之一。SiC陶瓷膜制备方法主要有挤出成型法和流延成型法。

 

2  SiC陶瓷膜

 

挤出成型法是以SiC为骨料,制成管状碳化硅支撑体,平均孔径为2.43μm,孔隙率为43.4%,气体通量达到788.2m3/m2.h.bar,抗弯强度达到22.8MPa。

 

流延成型工艺制备复合碳化硅陶瓷过滤膜,在1300℃烧结下制备出结构均匀、表面平整、孔径范围在4.017~11.916μm的碳化硅陶瓷膜。

 

SiC陶瓷膜优点是:相比于传统陶瓷膜材料,碳化硅烧结温度较低,机械强度高,在高温高压体系中具有广阔的应用前景。

 

2、莫来石

莫来石是Al2O3-SiO2系中唯一稳定存在的二元结晶相化合物,可以通过硅酸铝 的热分解或者二氧化硅与氧化铝的高温反应制备,由于其具有耐酸碱、低热膨胀系数和高熔点等性能,越来越受到人们的关注。

 

3  莫来石陶瓷膜

 

研究者以硝酸铝和碳酸氢铵通过沉淀法使氧化铝粉体表面均匀地包裹1层碳酸铝铵超细粉体,在1550℃下烧结可以获得性能优异的莫来石-刚玉陶瓷膜支撑体,平均孔径为9.87μm,孔隙率为40.21%,纯水通量达到22.211 m3/m2.h.bar,机械强度为3.4 MPa。

 

莫来石陶瓷膜优点是:相比于传统陶瓷膜材料,以莫来石制备的陶瓷膜孔隙率较高,耐强碱性更强。

 

3、堇青石

堇青石的理论化学组成为2MgO-2Al2O3-5SiO2,属于六方晶系、六元环状硅酸盐晶体,因其具有低的热膨胀系数和较高的分解温度,再加上生产成本低、产量大等优势,在开发陶瓷膜材料方面越来越受到人们的关注。

 

挤压成型法制备堇青石陶瓷膜是以工业级的堇青石为原料,制备得到性能优异的堇青石管式支撑体陶瓷膜,烧结温度在1380℃ 时可以制得平均孔径为8.66μm,开孔率为36.2%,氮气通量为1.45×104 m3/m2.h.bar,热膨胀系数为4.34×10-6

 

4  堇青石陶瓷膜

 

与氧化铝陶瓷膜相比,堇青石陶瓷膜具有更好的耐强碱腐蚀性能,烧结温度更低,可以有效的降低制备成本。

 

4、陶瓷纤维

陶瓷纤维不仅具有陶瓷材料固有的耐高温、化学稳定性好、使用寿命长等特点,还兼具了纤维材料的高孔隙率、高比表面积等优点,陶瓷纤维在制膜过程中,由于本身纤维形状特点,纤维之间杂乱无章的堆积,形成高孔隙率,总孔隙率最高能够超过70%,而以陶瓷纤维构建的分离膜的总孔隙率最高可接近陶瓷粒子分离膜的2倍,有效提高膜通量及降低渗透阻力。

 

研究者以二氧化钛纳米纤维为原料,采用浸浆法在氧化铝支撑体上制备双层TiO2膜,通过在纤维层中添加溶胶促进纤维之间的粘结,减少了缺陷孔的产生,在烧结温度480℃下制得了纯水通量为1000L/ m2.h.bar,截留分子量为32000,膜的性能远远超过传统陶瓷膜。

 

5、石墨烯

石墨烯又名“单层石墨片”,是指一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子,碳原子排成二维结构,与石墨的单原子层类似。石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体,其理论比表面积高达2600 m2/g,具有突出的导热性能和力学性能,因此越来越受到人们的关注。

 

5  石墨烯陶瓷膜示意图

 

研究者采用滴涂法,通过硅氧烷修饰,在陶瓷支撑体上制备出石墨烯-陶瓷复合膜。硅氧烷修饰后的陶瓷支撑体与氧化石墨烯粘结紧密,膜表面完整,同时膜表面具有亲水性,通过渗透气化作用,实现乙醇/水的选择性分离。

 

二、天然膜材料

1、天然沸石

天然沸石具有特殊的多孔结构、发达的比表面、丰富的表面羟基,而且我国天然沸石储量丰富、价格低廉,因此将天然沸石加工成陶瓷分离膜,不仅可以降低分离膜的生产成本,而且可以为陶瓷膜的制备提供新的选择。

 

例如以天然沸石为主料,通过挤压成型法制备了天然沸石陶瓷膜支撑体,平均孔径为6.6μm,孔隙率达到46%,然后通过浸浆法在支撑体表面分别涂覆粒径为2.1μm和0.5μm的天然沸石悬浮液,制得平均孔径分别为0.6μm和0.1μm的过渡层和顶层膜,整个非对称陶瓷膜的纯水通量达到了187 L/ m2.h.bar。

 

2、粉煤灰

粉煤灰是火力发电厂的废弃物和副产品,对环境造成的污染十分严重。由于粉煤灰中Al2O3SiO2含量达到了8.65%,在高温烧结后可以形成耐火度高、热膨胀系数低、化学稳定性和热稳定好的莫来石,所以粉煤灰可以制备性能优异的陶瓷膜,实现变废为宝。

 

研究者利用低成本固体废弃物粉煤灰和生料铝矾土为原料,采用原位烧结法在1300℃焙烧后,制备了多孔莫来石陶瓷膜支撑体,其开孔隙率高达50%,莫来石相含量高达86.75%,支撑体的机械强度高达69.87MPa。以粉煤灰为原料在堇青石管式支撑体上制备了陶瓷微滤膜,在1150℃烧结,平均孔径为5μm,孔隙率达到54%。

 

3、高岭土

高岭土(Al2O3-2SiO2-2H2O)又称水合硅酸铝瓷土,是重要的非金属矿产资源,在我国分布广泛,由于价格低廉,性能优越,在陶瓷领域也越来越受到人们的关注。

 

例如以高岭土为原料,通过挤压成型法,在900℃下烧结制成了平均孔径为1.3μm,机械强度为34MPa,孔隙率为30%的陶瓷微滤膜。

 

参考文献:

1、周健儿,张小珍,杨 昊等,莫来石复合陶瓷微滤膜的制备与表征,陶瓷学报。

2、范益群,漆虹,徐南平,多孔陶瓷膜制备技术研究进展,化工学报。

3、张小珍,周健儿,多孔堇青石中空纤维陶瓷膜的制备与表征,硅酸盐学报。

 

作者:乐心


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