氧化硅/氧化铝基无机陶瓷膜支撑体的制备及性能研究

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陶瓷膜具有处理效率高、耐高温、抗污染、高强度、耐腐蚀及易再生等优点,使其应用领域扩大至水处理、食品饮料、生物医药等。目前非对称陶瓷膜更具有工业应用价值,一般由支撑体、过渡层和膜层组成。陶瓷膜制备的基础是制备性能良好和经济合理的支撑体。而市售Al2O3、Si3N4等陶瓷支撑体,不仅原料昂贵且烧结能耗高,不利于陶瓷膜拓宽其应用领域。本文以粉煤灰为硅铝源制备支撑体,既高附加值绿色环保的处理了固体废弃物,又降低取材成本,更节约了资源,制备出的支撑体比较经济合理。由于粉煤灰属于瘠性材料,须加入粘性材料调节泥料粘性和可塑性才具有制备管式支撑体基础。为解决这一问题提出两种解决方案,一种是加入具有黏性的天然矿物材料,实验中选取了陶土;第二种选择了具有高粘度的纤维素,实验选取了羟丙基甲基纤维素(HPMC)。研究采用常压烧结制备管式支撑体,首先研究了粉煤灰与陶土的掺杂配比、添加剂以及烧结制度对支撑体的性能影响,并研究了粉煤灰与HPMC的掺杂配比。研究结果表明:随着陶土掺杂配比提高,降低了支撑体的成型难度,并有助于支撑体的烧结,主要表现在抗折强度以及线性收缩率得到大幅提升,同时导致支撑体的水通量和显气孔率性能明显下降,这是陶土在高温下产生较多液相造成的。综合分析,以粉煤灰和陶土的掺杂配比为90:10,采用1150℃高温烧结,持续保温2 h时支撑体的性能要优于其他条件下制备出的支撑体。此制备条件下支撑体的水通量为783.74L/(m~2·h·MPa),抗折强度24.12 MPa,耐酸碱腐蚀稳定,线性收缩率仅为5.62%,物相变化主要是出现钙长石晶型对支撑体整体性能有增强作用,在电镜下观察到晶粒间形成稳定的颈部连接。以粉煤灰和陶土为硅铝源制备的氧化硅/氧化铝支撑体成本合理,应用潜力大。通过正交实验的极差和曲线效应图分析,得出对支撑体性能影响的主次顺序,具体为造孔剂(HPMC)>烧结助剂(二氧化锰(MnO2))>增韧剂(膨润土)。之后进行单因素实验发现:HPMC低温造孔有利于液相的流动,既完成了造孔,还促进了支撑体的烧结,HPMC最佳添加量为2%;MnO2在高温下发生变价以及生成Mn2Al O4能有效地促进烧结且降低了能耗,MnO2的最佳添加量为12%,微观颗粒大小合适、具有丰富的孔结构;膨润土能促进晶粒的生长,产生液相使支撑体降温收缩,但过多的膨润土产生更多的液相致使孔隙率减小,水通量性能变差,膨润土添加量为6%为最佳。支撑体最优配方即粉煤灰:陶土:HPMC:MnO2:膨润土质量比=72:8:2:12:6。其性能良好,与未加支撑体性能相比,支撑性能明显提高。最优支撑体配方的最佳烧结制度为:室温-500℃,升温5℃/min,保温1 h;600℃-800℃,升温1℃/min,保温1 h;800℃-1050℃,升温1℃/min保温4 h;1050℃-800℃(速率-2℃/min)降温;800℃-200℃随炉自然冷却。得到支撑体烧结过程中的物相转变过程,在烧结过程中MnO2变价得到的Mn2O3、Mn3O4,最后生成Mn2Al O4。从而促进了支撑体的烧结,并降低烧结温度。高温能促进支撑体内部晶粒生长及晶型的转变,但烧结温度超过1050℃使支撑体基本被玻璃相包裹会或者出现熔融状态致使支撑体的综合性能大幅下降。探索使用强粘性的纤维素(HPMC)去弥补泥料粘性及塑性不足的问题,发现HPMC可以改善粉煤灰泥料粘性及塑性不足的缺陷,使其可以制备出管式支撑体湿坯。在添加2%HPMC、烧结温度为1150℃时,支撑体综合性能最佳。此时水通量达到6794.71 L/(m~2·h·MPa),抗折强度为24.65 MPa。微观结构良好,特别是耐碱腐蚀性能优异且稳定,在碱环境中有很大的使用潜力。
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