HTQ型陶瓷膜過(guò)濾器的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

周益平

（江蘇省宜興非金屬化工機(jī)械廠(chǎng)有限公司，宜興214221）

國(guó)內(nèi)化工行業(yè)硫酸法生產(chǎn)鈦白粉的工藝中，制得的偏鈦酸都采用葉片真空吸濾器進(jìn)行過(guò)濾，濾餅用水洗滌。因此，細(xì)微的偏鈦酸穿過(guò)濾布流失。目前，我國(guó)鈦白粉生產(chǎn)企業(yè)大多采用自然沉降法，回收濾液中的偏鈦酸粒子。但由于細(xì)小的偏鈦酸粒子呈懸浮狀，沉降速度慢，不僅需要大面積的沉降設(shè)備，而且回收不完全。排出的廢酸和廢水中含有微米級(jí)的偏鈦酸粒子，既污染了環(huán)境又損失了昂貴的偏鈦酸粒子。因此，廢酸和廢水的回收利用成為國(guó)內(nèi)鈦白粉生產(chǎn)企業(yè)急需解決的課題。

1 HTQ型陶瓷膜過(guò)濾器的開(kāi)發(fā)，其關(guān)鍵技術(shù)是多孔陶瓷無(wú)機(jī)膜管的研制。

1.1 實(shí)驗(yàn)

（1）樣品的制備

單管與多通道管狀陶瓷膜的制備：用α-Al2O3粉料和適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)聚合物粘結(jié)劑、溶劑、增塑劑和潤(rùn)滑劑等添加劑混合制成塑性坯料，在真空擠管機(jī)上擠管，管坯經(jīng)干燥后進(jìn)窯爐燒成。

（2）樣品的表征

用Archimede法（GB1966-80多孔陶瓷顯氣孔率方法）測(cè)定樣品的開(kāi)孔率和總孔率（α-Al2O3理論密度為3.97 g/cm3）。以泡點(diǎn)法測(cè)定樣品孔徑大小和分布；X-650型掃描電子顯微鏡觀察樣品的微結(jié)構(gòu)：采用自制的裝置測(cè)試樣品的爆破壓力。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化鋁粉粒徑對(duì)多孔α-Al2O3陶瓷的影響

采用不同粒徑的氧化鋁粉為原料，以粒徑＜1μm的碳粉為成孔劑，用量10%，在10MPa的壓力下成型，試樣的燒結(jié)溫度為1300℃，燒結(jié)時(shí)間為7.5小時(shí)，樣品的孔隙率見(jiàn)圖1。

從圖中可看出，原料粉的粒徑大小對(duì)試樣孔隙影響不太大，而試樣的平均孔徑卻隨著原料的粒徑增大而增大。但從α-Al2O3的粒徑和孔徑大小關(guān)系來(lái)看，（見(jiàn)圖2）可看出試樣的平均孔徑隨著原料的粒徑增大而增大。從Al2O3的粒徑和孔徑的大小關(guān)系看，圖2所示的一定粒徑的原料粉所對(duì)應(yīng)的孔徑，比理想等徑球堆積模型所得到的孔徑小。因此實(shí)驗(yàn)中使用的α-Al2O3粉有一定的粒徑分布，粒徑堆積時(shí)小粒子填充到大粒子的間隙中，導(dǎo)致孔徑變小，另外原料粒子的形狀不規(guī)則，有些顆粒通過(guò)面與面結(jié)合方式堆積，得到的孔相對(duì)較小。

由此可見(jiàn)，原料粉的粒徑與形狀對(duì)樣品影響很大，試樣的平均孔徑隨原料粉的粒徑增大而增大，但孔隙率變化不大，孔徑的大小不僅決定于原料粉的粒徑，而且與粒子的形狀及分布有關(guān)。

圖1 α-Al2O3樣品的孔隙率

圖2 平均孔徑與粒徑的關(guān)系

2.2 成孔劑的量對(duì)多孔α-Al2O3陶瓷的影響

為研究成孔劑的用量對(duì)多孔陶瓷的影響，實(shí)驗(yàn)中用平均粒徑0．6μm 的氧化鋁粉，添加不同量的粒徑＜1μm的成孔劑碳粉，成型壓力195MPa，燒結(jié)溫度1200℃，燒結(jié)時(shí)間9h。

從試樣的成孔劑添加量與孔隙率及孔徑分布的關(guān)系，可以看出隨著成孔劑的增加，孔隙率逐步增大。這是由于成孔劑填充α-Al2O3顆粒堆積間隙，使顆粒的接觸面積減小。在燒結(jié)時(shí)，顆粒間產(chǎn)生“頸縮”后，留下的孔隙相應(yīng)增加。

隨著成孔劑的增加，試樣的孔徑向大的方向移動(dòng)，同時(shí)孔徑分布也變寬，成孔劑量增大時(shí)，與原料混和的不均勻趨勢(shì)增加，因而孔徑分布變寬。

從開(kāi)口氣孔率和總氣孔率接近程度看，成孔劑量以20%為佳；但從孔徑分布看，則以10%的量較好。所以添加成孔劑要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定。

2.3 多孔陶瓷管的微結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度

采用擠壓成型的多孔陶瓷管，從剖開(kāi)的樣品看，顆粒呈燒結(jié)成頸的微結(jié)構(gòu)，經(jīng)測(cè)定，所制備的多孔陶瓷管的爆破壓力＞4.5MPa，已超過(guò)國(guó)際上商品化產(chǎn)品指標(biāo)（＞3.0MPa）。

2.4 燒成制度與多孔陶瓷管的孔隙率和孔徑分布關(guān)系

采用不同的燒結(jié)溫度得到樣品的開(kāi)口氣孔率、閉口氣孔率、總氣孔率。可見(jiàn)，在一定的燒結(jié)溫度下，多孔陶瓷管具有較高的氣孔率（開(kāi)孔率＞42%）；隨著燒結(jié)溫度的提高，開(kāi)口氣孔率從44%降到42．09%，而閉口氣孔率保持在6%左右。

2.5 多孔陶瓷膜用于液體分離，必須有大的滲透通量

利用毛細(xì)管模型進(jìn)行分析，假設(shè)膜的孔徑為圓形通孔，所有的孔與模面垂直，膜面積為A（m2），厚度L（m），膜面上的孔數(shù)為n，孔隙率為ε，圓形通孔的半徑r(m)，則有

當(dāng)粘度為 μ（Pa·S）的流體，在壓差 ΔP（Pa）的推動(dòng)下，以平均流速V（m/s）通過(guò)膜的毛細(xì)孔，則流量Q（m3/s）表示為

單位面積的通量（J）為

其實(shí)膜孔并非垂直通孔，需用曲折因子τ加以修正，則上式變?yōu)?/p>

從上式可見(jiàn)，流體的滲透量不僅與膜孔半徑r，孔隙率ε，曲折因子τ及膜厚L有關(guān)，而且還與滲透壓差ΔP及流體的粘度μ有關(guān)。

試樣中的二種多孔管膜的特征常數(shù)和滲透量見(jiàn)表1。

表1 α-Al2O3多孔管膜的特性常數(shù)和滲透通量

2.6 以擠壓成型和燒結(jié)，成功地制備出管狀多通道陶瓷過(guò)濾膜，管膜的孔隙率＞45%，孔徑分布均勻，抗張強(qiáng)度大。

3 結(jié)論

3.1 該機(jī)過(guò)濾介質(zhì)多孔陶瓷過(guò)濾膜，在壓力的作用下，原料液在膜管內(nèi)或膜外側(cè)流動(dòng)，小分子物質(zhì)或液體透出膜，大分子物質(zhì)被膜載留達(dá)到分離與過(guò)濾。陶瓷過(guò)濾膜化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸堿和有機(jī)溶劑；耐高溫抗污染；過(guò)濾阻力小，分離效率高；強(qiáng)度大、易再生；凈化成本低，使用壽命長(zhǎng)。

HTQ陶瓷過(guò)濾器結(jié)構(gòu)合理，由主機(jī)外殼、多孔陶瓷無(wú)機(jī)膜管、電腦自動(dòng)控制反沖清膜系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等構(gòu)成，自動(dòng)化程度高，反沖清膜效果好，濾液清澈透明。

3.2 在國(guó)內(nèi)多家硫酸生產(chǎn)企業(yè)，建立了日處理200噸以上的廢酸過(guò)濾裝置，成功地解決了偏鈦酸的廢酸和廢水問(wèn)題，回收了昂貴的偏鈦酸粒子和廢酸，為企業(yè)創(chuàng)造了效益。其工藝流程如圖3。

圖3 鈦白粉廠(chǎng)廢酸、廢水凈化回收工藝流程

3.3 HTQ型陶瓷膜過(guò)濾器單臺(tái)過(guò)濾面積5m2，容積1.15m3，二臺(tái)并聯(lián)，過(guò)濾壓力 0.8～1.5MPa，過(guò)濾精度 0.5～3μm，過(guò)濾量 8m3～12m3。

[1]羅茜，康勇，胡筱敏.微孔過(guò)濾介質(zhì)的進(jìn)展[J].過(guò)濾與分離.1997，20(2)：[2]欽征騎，錢(qián)杏南，賀盤(pán)發(fā).新型陶瓷材料手冊(cè)[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社.1995.

[3]選礦設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).選礦設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社.1994.

[4]K.Venkataraman，et.al.j.Membrane.Sci.39(1988)：257.

[5]蔡作乾，王璉，楊根.陶瓷材料辭典[M].北京：化工出版社.2002.

[6]王零森，黃培云.特種陶瓷[M].湖南：中南工業(yè)大學(xué)出版社.2003.