氧化鋁平板陶瓷膜的制備

2019-03-12 08:22:08王躍超汪永清

江蘇陶瓷 2019年6期

王躍超汪永清

（1 江蘇省陶瓷研究所有限公司，宜興214221；2 景德鎮陶瓷大學，景德鎮333000）

0 前言

隨著工業化的發展，水污染等問題日益嚴重，高效的膜法水處理技術需求越來越大。平板陶瓷膜材料作為膜法水處理的核心元件，與傳統的有機膜材料相比，具有耐酸堿、耐高溫、耐溶劑、耐生物侵蝕、通量大、剛性好等特點，使其在使用過程中具備壽命長、適用范圍廣、易于清洗再生、處理能力強等優點[1]。

平板陶瓷膜通常由支撐體、膜分離層組成。支撐體通常采用擠出法和干壓法等工藝進行成型，在高溫下燒制出多孔陶瓷支撐體。膜分離層則可采用噴涂法、浸漬法、吸鍍法等工藝在支撐體表面進行鍍膜，最后經燒成制備出合格的平板陶瓷膜。目前已開發出的陶瓷平板膜材質主要有氧化鋁、碳化硅、莫來石、二氧化鈦、氧化鋯等。其中，氧化鋁質陶瓷平板膜具有原料來源廣、綜合性能優異、易于低溫燒結、制造成本較低等優點[2]。

本文先以氧化鋁（D50=7 μm）為骨料，采用擠出成型的方法制備出多孔氧化鋁平板支撐體，再以氧化鋁微粉（D50=1 μm）與少量無機粘結劑為主要原料，采用浸漬法和噴涂法兩種鍍膜工藝在氧化鋁平板支撐體上制備氧化鋁陶瓷平板膜，研究分散劑、固含量、鍍膜工藝等對膜材料性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料（見表1）

1.2 氧化鋁平板膜支撐體的制備

采用擠出成型法和固態粒子燒結法制備氧化鋁陶瓷平板膜支撐體，以α-Al2O3為骨料，按比例加入結合劑、增塑劑和水；先用高速攪拌機混合均勻，放入真空練泥機中進行真空練泥，泥料經陳腐24 h～48 h 后，采用真空擠出成型機成型；經過干燥，最后在高溫梭式窯中燒成，燒成溫度為1 350 ℃～1 450 ℃；燒好后，經表面預處理后烘干備用。

表1 試驗原料及生產廠家

1.3 膜分離層的制備

以α-Al2O3微粉為主要原料，采用噴涂法或浸漬成型工藝制備膜分離層。具體工藝如下：將氧化鋁、無機粘結劑、分散劑、水及其它外加劑置于球磨機內混合，控制球磨2 h～3 h 后，將混合均勻的漿料通過浸漬法或噴涂法涂覆到處理好的載體上，成型好的膜層經40 ℃干燥5 h～6 h 后，再在60 ℃的溫度下干燥5 h～6 h。干燥好后，放入梭式窯中燒成，燒成溫度控制在1 250 ℃～1 350 ℃之間。

1.4 性能測試

（1）漿料穩定性的測試。采用統一規格的量筒(50 ml)，把漿料分別倒入相應的量筒中，然后分別在漿料靜置了24 h、48 h 后分別觀察各個量筒內漿料沉降的高度及清液的高度，判斷漿料的懸浮穩定性[3]。

（2）通過NDJ-9S 型旋轉粘度計測定漿料的粘度（60 r/min）。

（3）采用GB/T 1967 多孔陶瓷孔道直徑試驗方法測量試樣的平均孔徑。[4]

（4）按照HY064-2002《管式陶瓷微孔濾膜測試方法》測試試樣的純水通量。[5]

（5）用SEM 觀察樣品的膜表面顯微結構。

2 結論與分析

2.1 分散劑對膜漿料性能的影響

在試驗中我們選用90 wt%的α-Al2O3(D50=1 μm)為骨料，加入10 wt%的無機結合劑，外加2%的粘結劑（CMC）和400 wt%的水。混合均勻后，分別加入0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%的聚丙烯酸銨做分散劑，研究聚丙烯酸銨添加量對漿料性能的影響（見表2）。

從表2 中可以看出，從樣品1 到樣品4，隨著漿料中聚丙烯酸銨加入量的增多，漿料的粘度降低，穩定性逐漸提高；但從樣品4 到樣品6，隨著聚丙烯酸銨加入量的增多，漿料的粘度略有升高，穩定性逐漸降低。

分析其原因：隨著聚丙烯酸銨的加入，聚丙烯酸銨發生電離，并吸附于Al2O3顆粒表面，使Al2O3顆粒表面產生凈電荷勢。從樣品1 到樣品4 隨著聚丙烯酸銨加入量的提高，Al2O3顆粒表面包裹的電荷增加，顆粒表面凈電荷勢增大，顆粒間的斥力變大，漿料的分散性變好，漿料粘度降低，穩定性提高[6]；但隨著聚丙烯酸銨的進一步增加，過剩而游離的聚丙烯酸銨分子會在顆粒間形成橋架而導致絮凝，使漿料的穩定性變差，粘度增大。

2.2 漿料固含量對膜性能的影響。

在試驗中，我們選用固含量濃度分別為10%、15%、20%、25%、30%和35%的漿料做鍍膜液，采用浸漬法在同種支撐體上進行鍍膜，在相同的條件下制備出不同的試樣，測試試樣的平均孔徑和純水通量。（見圖1）

圖1 不同固含量制備的試樣對膜孔徑、純水通量的影響

從圖1 中可以看出隨著漿料固含量的提高，試樣的平均孔徑逐漸降低，純水通量也逐漸降低。分析其原因：漿料固含量低時，浸漬時支撐體上吸附的漿料較少，膜層厚度較薄，膜層中大孔徑比例也相對較高，膜平均孔徑相對較大，試樣純水通量較大；隨著漿料固含量的提高，支撐體上吸附的漿料增加，膜層變厚，膜層中的大孔被覆蓋的概率提高，膜層中大孔比例逐漸降低，膜平均孔徑降低。膜層厚度的增加和平均孔徑的降低，也導致了試樣的純水通量降低。

表2 聚丙烯酸銨對漿料穩定性的影響

從圖1 中可以看出，固含量超過20%以后，試樣平均孔徑與純水通量降幅明顯變緩。分析其原因：隨著固含量的進一步提高，膜層中顆粒堆積厚度增加，膜層中大孔基本被覆蓋，孔徑變化較小；另一方面由于漿料在支撐體上形成“濾餅”，導致支撐體吸附漿料能力變差，膜層厚度增加不明顯，最終導致隨固含量的增加，試樣的平均孔徑與純水通量降幅變小。

2.3 鍍膜工藝對膜性能的影響。

以90 wt%的α-Al2O3(1 μm)為骨料，加入10 wt%的無機結合劑，外加2%的粘結劑（CMC）和400 wt%的水混合均勻后，加入5%的分散劑制成漿料。在相同的氧化鋁平板膜支撐體上，分別采用浸漬法和噴涂法制備膜層，通過吸漿時間和噴涂速度、次數等工藝的控制，確保膜層厚度基本相同，烘干后在相同的溫度下燒成。測試樣品的純水通過量，用SEM 觀察樣品的表面顯微結構，研究工藝對產品性能的影響。

表3 鍍膜工藝對膜性能的影響

從表3 中可以看出，與浸漬法制備的平板膜相比，噴涂法制備出的膜平均孔徑較大，純水通量較高。

圖2 浸漬法制備的陶瓷平板膜SEM 圖

圖2 是采用浸漬法制備的氧化鋁陶瓷平板膜的SEM。從圖2 中可以看出，片層狀的氧化鋁顆粒相互交織堆積，氧化鋁顆粒粒度大小基本一致。氣孔主要來自于氧化鋁顆粒間的孔隙，顆粒之間的堆積相對緊密，圖中未見明顯大孔。

圖3 為噴涂法制備的氧化鋁陶瓷平板膜的SEM。從圖可以看出，氧化鋁顆粒之間的堆積相對松散，顆粒間的間隙更大，這也是噴涂法制備的膜平均氣孔更大、純水通量更高的原因。但從圖3 中發現有許多可見大小不一且形狀不規則的大孔，分析其原因，可能是噴涂過程中，漿料在和空氣接觸的過程中產生了氣泡，噴涂到支撐體上后，隨著氣泡的消失在膜體中形成不規則的大氣孔。