CN101920140A - 含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法，该制备方法中没有使用高熔点的原材料，并采用先分散、后部分絮凝的方式制备注浆成型用的浆料，使坯体中原料和孔隙高度分散均匀，从而使烧结温度不高于950℃，不会使硅藻土中的天然微孔因为高温烧结而坍塌。

Description

含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合陶瓷滤芯的制备方法，特别是涉及一种可用于直饮型水过滤设备的高精度含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法。

背景技术

饮用水的污染物主要有细菌(例如大肠杆菌)、有机物(例如含氯代烃、苯类化合物)和重金属离子(例如铅、镉)。我们日常使用的自来水在杀菌处理过程中，一部分有机物和游离氯结合形成致癌的有机氯化物(如三氯甲烷)，此外管道内微生物也会再繁殖，这些都影响了水的品质，因此一般需要经过进一步纯化处理方可饮用。适合人类饮用的水不是越纯净越好，微量元素在人骨骼、神经系统、新陈代谢系统等的发育过程中起到至关重要的作用，而这些微量元素主要是从饮用水中汲取的。因此在水处理过程中，要尽量保留这些有益的矿物质。现有的陶瓷净水器可以在去除细菌、有机物、重金属离子的同时，保留人体必须的微量元素，因此广泛应用做家庭直饮水净化装置。

陶瓷净水器的关键过滤元件为陶瓷滤芯，是由陶瓷粉体经高温烧结而成的多孔过滤元件。与高分子反渗透膜以及中空纤维过滤膜不同，陶瓷滤芯采用深层过滤原理去除杂质，水的通道直径在0.1～10μm之间分布，小的孔径对于细菌具有绝对的阻止能力，抗菌剂的引入则可以防止细菌在滤芯里的滋生，使通过滤芯的水的质量安全可靠；而大的孔径可以保证滤芯具有小的阻力和大通量，对滤芯的实用性具有重要意义。

英国的Doulton公司是目前全球最大及最知名的陶瓷滤芯生产厂家，它以硅藻土为主要原料，经高温烧结而成多孔过滤元件。硅藻土由硅藻遗体组成，主要成分为二氧化硅(80～95％)，其余的成分主要为氧化铝。硅藻本身为多孔结构，内部非常有规律排列的小孔的孔径一般为0.1～0.3μm之间，因此具有非常优异的过滤和吸附能力。为了提高过滤效果，要求硅藻土的含量尽可能高。但是因为硅藻土塑性低，含量过高将严重降低其成型能力，因此在成型过程中需加入黏土以提高塑性和成型能力，但是这是以降低过滤效果为代价实现的。这种净水器既可以安装在家庭用的普通水龙头上，供城市家庭使用，也可以采用重力型净水装置产生纯净水，在没有自来水的地方使用。经过滤可以滤除水中的水垢，大肠杆菌、囊虫等致病细菌。通过装在滤芯中的炭部分去除水中的氯气、残留农药、有害有机物等，达到饮用水标准，不需要经过加热就可以直接饮用。但是由于炭的吸附速度有限，因此当应用到直饮机上的时候，吸附效果并不十分理想。为了解决这个问题，Doulton公司下属的Hinton International公司开发了Black

黑色陶瓷滤芯。它是在原来的陶瓷滤芯的成型过程中加入一定量的炭，使其均匀分散在陶瓷滤芯内，显著提高了接触面积，从而避免水不流经炭造成炭“短路”，失去作用。与内装炭比较，这种滤芯吸附速度显著提高，而且饱和吸附量也显著提高。这主要是因为在复合滤芯中，炭均匀分布在硅藻土陶瓷颗粒之间，利用硅藻土的微细结构，使炭与水的接触面积显著增加，提高了吸附速度。由于炭和硅藻土的共同作用，促进了有机物的催化分解，导致总吸附量的显著提高。这种陶瓷滤芯细菌的去除率达到99.9％以上，有害有机物去除一般也都在95％以上，而重金属离子的去除在85％以上。此外，如果将滤芯经过载银处理，引入了少量的银离子，可以抑制长期使用后滤芯内细菌的滋生。但是，Black

黑色陶瓷滤芯在制备过程中，其烧结温度为1020～1200℃，高于1000℃，而现有的研究已经表明，当烧结温度高于1000℃时，硅藻土中的天然微孔会因为部分烧结而融合，致使硅藻土的过滤效率和滤芯的水通量同时降低。因此，为了防止上述现象发生，有必要降低生坯的烧结温度。

发明内容

本发明旨在提供一种新型的含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法，以解决现有技术中存在的上述问题。该复合陶瓷滤芯制备方法中没有使用高熔点的原材料，并采用先分散、后部分絮凝的方式制备注浆成型用的浆料，使坯体中原料和孔隙高度分散均匀，从而使烧结温度不高于950℃，不会使硅藻土中的天然微孔因为高温烧结而坍塌。

本发明的目的是基于以下的技术方案实现的：

含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法，包括以下步骤：

1)将硅藻土、植物纤维粉、分散剂、抗菌剂和去离子水加入到球磨罐中，球磨成均匀分布的浆料；

2)将絮凝剂和和稳定剂加入到步骤1中得到的浆料中，继续球磨使絮凝剂和稳定剂均匀分散在浆料中，获得稳定的部分絮凝的浆料；

3)将步骤2中得到的部分絮凝的浆料熟化，然后在模具内空心注浆成型，脱模后获得陶瓷滤芯生坯；

4)将步骤3中得到的生坯干燥，将干燥后的生坯在惰性气体保护下在650℃～950℃的温度保持1～5小时进行烧结，并随炉冷却到室温，获得含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯。

利用上述技术路线可以制备各种不同形状的复合滤芯，滤芯的形状取决于注浆模具型腔的形状。

前述含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法中，步骤1中的硅藻土原料为市售的经过高温煅烧的硅藻土助滤剂，平均粒度为30μm；植物纤维粉选自木屑、竹屑、果实粉末(如玉米淀粉等)、果壳粉末(如椰子壳末、瓜子壳末、稻壳末或花生壳末等)、秸秆粉末、枯叶粉末或杂草粉末等中的至少一种，优选为玉米淀粉，其平均粒度为15μm；分散剂为碳酸钠或水玻璃中的一种或其组合，抗菌剂为市售的净水材料中可以使用的抗菌材料，具体可以是纳米银抗菌剂或氧化钛系光触抗菌剂等，将上述材料在球磨罐以60rpm～150rpm的转速球磨3～10小时后，可获得分散均匀的陶瓷浆料。所使用的硅藻土、植物纤维粉、分散剂、抗菌剂和去离子水的重量比为1000∶30～1500∶1～20∶0～50∶1000～2000。

前述含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法中，步骤2中的絮凝剂为平均分子量为300万的聚丙烯酰胺、阿拉伯树胶、羧甲基纤维素钠或高岭土中的一种，加入量为步骤1的硅藻土、植物纤维粉、分散剂、抗菌剂使用总重量的0.2～3％；稳定剂为钙基膨润土或钠基膨润土，加入量为步骤1的硅藻土、植物纤维粉、分散剂和抗菌剂使用总重量的1～5％；将加入絮凝剂和稳定剂后的浆料以60rpm～150rpm的转速继续球磨0.5～3小时，可使絮凝剂和稳定剂在浆料中混合均匀，获得稳定的部分絮凝的浆料。

前述含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法中，步骤3中的熟化是指将步骤2中所获得的部分絮凝的浆料静置12～48小时，使浆料充分均匀化并脱泡；所述空心注浆是指浆熟化后的浆料缓慢倒入石膏模的型腔中，待在石膏模内壁吸附的坯体厚度为3～10mm后，倒出模具中未吸附的浆料，获得空心的滤芯坯体；所述脱模是指保持模具倒转，静置30～180分钟后，把滤芯坯体从石膏模内脱出，得到陶瓷滤芯的生坯。

前述含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法中，步骤4中的生坯干燥是指将步骤3中制备的生坯在60～100℃下放置5～48小时，除去坯体中的水分。所述的惰性气体可以为氩气、氦气、氡气或氮气中的一种，优选为氮气。

该工艺的主要优点是：

(1)使用经过高温熔融煅烧的食品级硅藻助滤剂取代硅藻原土作为滤芯原料，显著提高原料的纯度，保证了过滤后的水不受硅藻土原料中可能存在的有害物质的污染；

(2)提高陶瓷滤芯原料中硅藻土和植物纤维粉的比例，使硅藻土和植物纤维粉的含量之和大于92％，从而提高滤芯中控制过滤精度的微细孔的比例并且改善过滤效率；

(3)采用先分散、后絮凝的方式制备注浆成型用的浆料：首先通过合适的分散剂使原料均匀分散，然后利用合适的絮凝剂、稳定剂使浆料部分絮凝，从而提高了坯体和陶瓷滤芯的孔隙率和孔径大小分布的均匀性，提高了浆料的稳定性(10小时不出现固液分层)，有利于保证产品质量的稳定性；并显著改善了吸浆速度(吸浆时间为5～30分钟)，提高了生产率。

(4)该制备方法没有使用高熔点的原料，并且坯体中原料和孔隙分散高度均匀，降低了烧结温度，使其低于950℃，从而不会使硅藻土中的天然微孔因为高温烧结而坍塌。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的描述，但不构成对本发明的任何限制。

实施例1

1、将4000g氧化铝球(按重量比φ30mm∶φ20mm∶φ15mm＝1∶2∶1)装入到10升的聚胺脂球磨罐中，然后依次加入1L去离子水、1000g平均粒度为30μm的硅藻土助滤剂、30g平均粒度为15μm的食品级玉米淀粉、5g水玻璃(模数为3)、13克无水碳酸钠以及3g纳米银抗菌剂。将球磨罐密封后，以80rpm的速度进行球磨8小时，获得分散的陶瓷浆料。

2、打开球磨罐，加入5g羧甲基纤维素钠盐及30g钙基膨润土，然后以80rpm的速度继续球磨3小时，获得部分絮凝的稳定的陶瓷浆料。

3、将部分絮凝的陶瓷浆料静置12小时熟化，然后倒入石膏模具中，静置15分钟，然后将石膏模翻转倒出剩余的浆料；保持模具倒转，静置180分钟，脱模后得到直径50mm，壁厚6.5mm，长度250mm，一端封闭，另一端开口的陶瓷滤芯生坯。

4、将滤芯的生坯在80℃干燥12小时，然后在氮气保护下进行烧结，玉米淀粉形成均匀分散在陶瓷滤芯中的炭。烧结过程中，以2℃/min的升温速度温到650℃，并在650℃保温5小时，然后随炉冷却至室温，得到含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯。

在该复合陶瓷滤芯中，硅藻土与炭重量占滤芯总重量的94％；

用孔隙率测定仪对制得的复合陶瓷滤芯检测后发现，滤芯的孔隙率63％；再将制得的复合陶瓷滤芯壁切成6mm×6mm×50mm的长条，检测其三点抗弯强度，其三点弯曲强度8.5MPa；本发明中，利用一端封闭，另外一端开口的滤芯进行重力过滤的过滤效果检测，将未过滤的水加入到复合陶瓷滤芯内，然后对滤芯中渗透出来的过滤后的水进行大肠杆菌去除率、氯离子去除率、铅离子去除率和陶瓷滤芯开孔孔隙率的分析检测，大肠杆菌去除率＞99.99％；水中残氯去除氯＞99％；铅去除率＞99％。

实施例2

1、将4000g氧化铝球(按重量比φ30mm∶φ20mm∶φ15mm＝1∶2∶1)装入到5升的聚胺脂球磨罐中，然后依次加入1.25L去离子水、1000g平均粒度为30μm的硅藻土助滤剂、250g平均粒度为15μm的食品级玉米淀粉、5g水玻璃(模数为3)、3g的无水碳酸钠以及3g纳米银抗菌剂。将球磨罐密封后，以80rpm的速度进行球磨8小时，获得分散的陶瓷浆料。

2、打开球磨罐，加入30g高岭土及30g钙基膨润土，然后以80rpm的速度继续球磨3小时，获得部分絮凝的稳定的陶瓷浆料。

3、将部分絮凝的陶瓷浆料静置48小时熟化，然后倒入石膏模具中，静置20分钟，然后将石膏模翻转倒出剩余的浆料；保持模具倒转，静置55分钟，脱模后得到直径50mm，壁厚7.5mm，长度250mm，一端封闭，另一端开口的陶瓷滤芯生坯。

4、浆滤芯的生坯在60℃干燥48小时，然后在氮气保护下进行烧结，玉米淀粉形成均匀分散在陶瓷滤芯中的炭。烧结过程中，以2℃/min的升温速度温到870℃，并在870℃保温2小时，然后随炉冷却至室温，得到含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯。

在该复合陶瓷滤芯中，硅藻土与炭重量占滤芯总重量的94.6％；

用孔隙率测定仪对制得的复合陶瓷滤芯检测后发现，滤芯的孔隙率65.8％；再将制得的复合陶瓷滤芯壁切成6mm×6mm×50mm的长条，检测其三点抗弯强度，其三点弯曲强度6.8MPa；本发明中，利用一端封闭，另外一端开口的滤芯进行重力过滤的过滤效果检测，将未过滤的水加入到复合陶瓷滤芯内，然后对滤芯中渗透出来的过滤后的水进行大肠杆菌去除率、氯离子去除率、铅离子去除率和陶瓷滤芯开孔孔隙率的分析检测，大肠杆菌去除率＞99.99％；水中残氯去除氯＞99％；铅去除率＞99％。

实施例3

1、将4000g氧化铝球(按重量比φ30mm∶φ20mm∶φ15mm＝1∶2∶1)装入到10升的聚胺脂球磨罐中，然后依次加入1.6L去离子水、1000g平均粒度为30μm的硅藻土助滤剂、500g平均粒度为15μm的食品级玉米淀粉、5克水玻璃(模数为3)、4g碳酸钠以及13g纳米银抗菌剂。将球磨罐密封后，以60rpm的速度进行球磨10小时，获得分散的陶瓷浆料。

2、打开球磨罐，加入5g阿拉伯胶和50g钙基膨润土，然后以60rpm的速度继续球磨3小时，获得部分絮凝的稳定的陶瓷浆料。

3、将部分絮凝的陶瓷浆料静置30小时熟化，然后倒入石膏模具中，静置35分钟，然后将石膏模翻转倒出剩余的浆料；保持模具倒转，静置70分钟，脱模后得到直径50mm，壁厚8.5mm，长度250mm，一端封闭，另一端开口的陶瓷滤芯生坯。

4、浆滤芯的生坯在100℃干燥5小时，然后在氮气保护下进行烧结，玉米淀粉形成均匀分散在陶瓷滤芯中的炭。烧结过程中，以1℃/min的升温速度温到910℃，并在910℃保温1小时，然后随炉冷却至室温，得到含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯。

在该复合陶瓷滤芯中，硅藻土与炭重量占滤芯总重量的95％；

用孔隙率测定仪对制得的复合陶瓷滤芯检测后发现，滤芯的孔隙率67.5％；再将制得的复合陶瓷滤芯壁切成6mm×6mm×50mm的长条，检测其三点抗弯强度，其三点弯曲强度8.7MPa；本发明中，利用一端封闭，另外一端开口的滤芯进行重力过滤的过滤效果检测，将未过滤的水加入到复合陶瓷滤芯内，然后对滤芯中渗透出来的过滤后的水进行大肠杆菌去除率、氯离子去除率、铅离子去除率和陶瓷滤芯开孔孔隙率的分析检测，大肠杆菌去除率＞99.99％；水中残氯去除率＞99％；铅去除率＞99％。

实施例4

1、将4000g氧化铝球(按重量比φ30mm∶φ20mm∶φ15mm＝1∶2∶1)装入到10升的聚胺脂球磨罐中，然后依次加入1.80L去离子水、1000g平均粒度为30μm的硅藻土助滤剂、1000g食品级玉米淀粉、7g水玻璃(模数为3)、5g无水碳酸钠以及30g纳米银抗菌剂。将球磨罐密封后，以150rpm的速度进行球磨3小时，获得分散的陶瓷浆料。

2、打开球磨罐，加入20g羧甲基纤维素钠盐和50g钠基膨润土，然后以150rpm的速度继续球磨0.5小时，获得部分絮凝的稳定的陶瓷浆料。

3、将部分絮凝的陶瓷浆料静置12小时熟化，然后倒入石膏模具中，静置15分钟，然后将石膏模翻转倒出剩余的浆料；保持模具倒转，静置30分钟，脱模后得到直径50mm，壁厚4.5mm，长度250mm，一端封闭，另一端开口的陶瓷滤芯生坯。

4、浆滤芯的生坯在90℃干燥16小时，然后在氮气保护下进行烧结，玉米淀粉形成均匀分散在陶瓷滤芯中的炭。烧结过程中，以10℃/min的升温速度温到950℃，并在950℃保温2小时，然后随炉冷却至室温，得到含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯。

在该复合陶瓷滤芯中，硅藻土与炭重量占滤芯总重量的94.6％；

用孔隙率测定仪对制得的复合陶瓷滤芯检测后发现，滤芯的孔隙率60.8％；再将制得的复合陶瓷滤芯壁切成6mm×6mm×50mm的长条，检测其三点抗弯强度，其三点弯曲强度9MPa；本发明中，利用一端封闭，另外一端开口的滤芯进行重力过滤的过滤效果检测，将未过滤的水加入到复合陶瓷滤芯内，然后对滤芯中渗透出来的过滤后的水进行大肠杆菌去除率、氯离子去除率、铅离子去除率和陶瓷滤芯开孔孔隙率的分析检测，大肠杆菌去除率＞99.99％；水中残氯去除氯＞99％；铅去除率＞99％。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法，包括以下步骤：

1)将硅藻土、植物纤维粉、分散剂、抗菌剂和去离子水加入到球磨罐中，球磨成均匀分布的浆料；

2)将絮凝剂和和稳定剂加入到步骤1中得到的浆料中，继续球磨使絮凝剂和稳定剂均匀分散在浆料中，获得稳定的部分絮凝的浆料；

3)将步骤2中得到的部分絮凝的浆料熟化，然后在模具内空心注浆成型，脱模后获得陶瓷滤芯生坯；

4)将步骤3中得到的生坯干燥，将干燥后的生坯在惰性气体保护下在650℃～950℃的温度保持1～5小时进行烧结，并随炉冷却到室温，获得含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯。

2.根据权利要求1所述的含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于：步骤1中所使用的硅藻土、植物纤维粉、分散剂、抗菌剂和去离子水的重量比为1000∶30～1500∶1～20∶0～50∶1000～2000。

3.根据权利要求2所述的含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于：步骤1中的硅藻土原料为经过高温煅烧的硅藻土助滤剂，平均粒度为30μm；植物纤维粉选自木屑、竹屑、果实粉末、果壳粉末、秸秆粉末、枯叶粉末或杂草粉末中的至少一种，其平均粒度为15μm；分散剂为碳酸钠或水玻璃中的一种或其组合；抗菌剂为是纳米银抗菌剂或氧化钛系光触抗菌剂。

4.根据权利要求3所述的含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于：所述的果实粉末为玉米淀粉。

5.根据权利要求4所述的含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于：步骤1中的球磨转速为60rpm～150rpm，球磨时间3～10小时，获得均匀分布的浆料。

6.根据权利要求3、4或5所述的含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于：步骤2中的絮凝剂为平均分子量为300万的聚丙烯酰胺、阿拉伯树胶、羧甲基纤维素钠或高岭土中的一种，加入量为步骤1的硅藻土、植物纤维粉、分散剂和抗菌剂使用总重量的0.2～3％；稳定剂为钙基膨润土或钠基膨润土，加入量为步骤1的硅藻土、植物纤维粉、分散剂和抗菌剂使用总重量的1～5％；继续球磨的转速是60rpm～150rpm，继续球磨时间是0.5～3小时，使絮凝剂和稳定剂在浆料中混合均匀，获得稳定的部分絮凝的浆料。

7.根据权利要求5所述的含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于：步骤3中的熟化是指将步骤2中所获得的部分絮凝的浆料静置12～48小时，使浆料充分均匀化并脱泡；所述空心注浆是指将熟化后的浆料缓慢倒入石膏模的型腔中，待在石膏模内壁吸附的坯体厚度为3～10mm后，倒出模具中未吸附的浆料，获得空心的滤芯坯体；所述脱模是指保持模具倒转，静置30～180分钟后，把滤芯坯体从石膏模内脱出，得到陶瓷滤芯的生坯。

8.根据权利要求6所述的含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于：步骤4中的生坯干燥是指将步骤3中制备的生坯在60～100℃下放置5～48小时，除去坯体中的水分。

9.根据权利要求1所述的含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于：所述的惰性气体为氩气、氦气、氡气或氮气中的一种。