CN102924067B - 一种复合陶瓷滤芯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合陶瓷滤芯及其制备方法，特别涉及一种含多壁碳纳米管、低温烧结、高强度的硅藻土基复合陶瓷滤芯及其制备方法，该复合陶瓷滤芯由以下质量份数原料制成：精制硅藻土60～80份，活性炭12～20份，分散剂4.5～9份，烧结助剂2～6份，抗菌剂1～3份，碳纳米管0.5～2份。本发明的含碳纳米管低温烧结高强度硅藻土基复合陶瓷滤芯因其内部均匀分布的多壁碳纳米管，能够提高陶瓷滤芯的机械性能；同时多壁碳纳米管具有介孔结构，能够有效吸附去除水中重金属离子。此外，通过添加微米级金属铝粉降低了烧结温度(<950°C)保留了硅藻土天然纳米微孔，并且进一步提高了陶瓷滤芯的机械强度(抗压强度>0.5GPa)。

Description

一种复合陶瓷滤芯及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合陶瓷滤芯及其制备方法，特别涉及一种含碳纳米管、低温烧结、高强度的硅藻土基复合陶瓷滤芯及其制备方法。

背景技术

随着工业的迅猛发展和矿业的大力开发，全国大部分地表水源水质呈不断恶化的趋势。饮用水水源污染物主要由细菌和病毒（例如大肠杆菌），有机物（例如石油类，挥发酚、苯类化合物）和重金属离子（例如汞、铅和镉等）构成。在城市饮用水运输过程中，高位水箱或者管道年久锈蚀也会引入泥沙，铁锈等杂质，导致家庭饮用水的二次污染。在家用水龙头的下方安装过滤器，可以有效地拦截细菌和吸附水中残留的有机物、重金属离子，改善饮用水的质量和口感，并且保留了人体必须的微量元素。目前市场上存在两大类龙头净水过滤器滤芯：中空纤维膜滤芯和陶瓷膜滤芯。与陶瓷膜滤芯相比，中空纤维膜滤芯净水通量高，生产成本低。但中空纤维膜随其服役时间增加，有机物部分溶解导致滤孔尺寸逐渐加大，引起过滤效果降低；同时中空纤维滤芯无法解决细菌在滤芯中滋生而导致饮用水的二次污染问题。与中空纤维膜滤芯相比，陶瓷膜滤芯孔径尺寸稳定，不会因使用时间增加导致滤孔直径增加；同时，抗菌剂的引入则可以解决细菌在滤芯中滋生问题，保证了饮用水的质量。

生产陶瓷滤芯的主要原料包括氧化铝基和二氧化硅基陶瓷材料，其中硅藻土因其特有的生物纳米尺寸微观结构而产生的高强吸附性能成为主流陶瓷滤芯的首选材料之一。硅藻土由硅藻遗体组成，主要成分为二氧化硅（80～95％），其余成分主要为氧化铝。硅藻具有大量的天然有序排列的纳米微孔结构，孔径尺寸在80～200nm之间，从而使硅藻土具有优异的过滤和吸附能力。英国Doulton公司是目前全球最大的知名陶瓷滤芯生产商，它以硅藻土为主要原料，经过高温烧结而成型多孔过滤元件。Doulton下属公司HintonInternatinal公司开发了BlackBerkey黑色陶瓷滤芯。这种陶瓷滤芯由硅藻土和活性炭颗粒混合烧结而成，对细菌的去除率达到99.9％以上，重金属离子去除率在85％以上。但是，BlackBerkey黑色陶瓷滤芯在成型过程中，烧结温度为1020～1200°C，导致硅藻土中的天然纳米微孔因为部分烧结而熔合，减少了纳米微孔数量，增加了微孔的尺寸，致使硅藻土的过滤质量和滤芯的水通量降低。专利申请号为200910112074.3(含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法)提供了一种低温烧结含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法，解决了硅藻土在高温烧结过程中产生的纳米微孔熔合问题。然而由于其采用较低的烧结温度（<950°C），硅藻土和炭颗粒间的结合力较弱，导致生产出的陶瓷滤芯的机械强度较低，使用过程中轻微震动则引起陶瓷滤芯的碎裂，影响其滤水质量和使用寿命。因此，如何实现硅藻土基和炭复合陶瓷滤芯在较低的烧结温度下（<950°C）获得较高的机械强度成为其实际应用的难点。

发明内容

本发明目的是引入多壁碳纳米管增强相和化学反应烧结机制（金属铝粉氮化）来制备新型低温烧结高强度硅藻土基复合陶瓷滤芯，用以解决现有硅藻土和炭颗粒复合陶瓷材料烧结温度低导致的陶瓷滤芯机械强度低的问题，同时，提高此类陶瓷滤芯的重金属离子去除率，保证其滤水质量和使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种复合陶瓷滤芯，含有以下质量份数的原料组成：精制硅藻土60～80份，活性炭12～20份，分散剂4.5～9份，烧结助剂2～6份，抗菌剂1～3份，碳纳米管0.5～2份。

优选地，所述复合陶瓷滤芯还含有0.5-5质量份的絮凝剂和2-5质量份的稳定剂。

优选地，所述的复合陶瓷滤芯，由以下质量份的原料组成：精制硅藻土68份，活性炭15份，分散剂6份，烧结助剂6份，抗菌剂1份，碳纳米管2份，絮凝剂1份和的稳定剂2份。

优选地，所述精制硅藻土平均颗粒直径为17～20μm，孔隙率为90％，以吉林长白山硅藻土为原料制得。精制硅藻土作为陶瓷滤芯的骨架材料，利用其纳米微孔过滤有害物质。

优选地，所述活性炭为果壳活性炭，平均颗粒直径为15μm。

优选地，所述分散剂为碳酸钠（Na₂CO₃）。

优选地，所述烧结助剂由金属铝粉和氯化铵按4∶1质量比例组成，金属铝粉颗粒直径为1～3μm。

优选地，所述抗菌剂选用纳米氧化锌、纳米氧化银或者TiO₂光催化无机抗菌剂中的一种，其颗粒直径为50～80nm。

优选地，所述碳纳米管选用多壁碳纳米管，其孔径为10～20nm，长度为5～15μm。优选地，所述絮凝剂为平均分子量为300万的羧甲基纤维素钠盐或高岭土。

优选地，所述稳定剂为钠基膨润土。

上述含碳纳米管低温烧结高强度硅藻土基复合陶瓷滤芯的制备方法，包括以下步骤：

S1：硅藻土原材料精制处理：硅藻土原材料经过酸洗，与助熔剂共混后高温煅烧得到精制硅藻土；

S2：碳纳米管的分散：取碳纳米管投入到复配分散剂溶液配制成1％-8％（m/v）的纳米管分散液；

S3：注浆成型用的浆料的制备：将精制硅藻土、活性炭、分散剂、烧结助剂、碳纳米管分散液、抗菌剂，100～250rpm球磨30～60分钟得到初级浆料；加入絮凝剂和稳定剂，60～100rpm继续球磨0.5～2小时，取稳定的絮凝浆料静置熟化得到注浆成型用的浆料；

S4：模具内空心注浆成型、脱模及生坯的制备：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5～10mm后，倒出模具中未吸附的流动浆料，获得空心的滤芯坯体；将模具倒转，静置1～4小时，把滤芯坯体从石膏模内脱出，得到复合陶瓷滤芯生坯；

S5：复合陶瓷滤芯生坯干燥及低温烧结：将复合陶瓷滤芯生坯在80～110°C下干燥12～48小时；将干燥后的生坯在氮气与氢气混合气体中烧结，所述氢气的体积占氮气与氢气混合气体的体积的10％，获得复合陶瓷滤芯。

优选地，所述复合陶瓷滤芯的制备方法步骤S1具体为：硅藻土原材料在80°C、5mol/L H₂SO₄中浸泡8小时后，与2％Na₂CO₃的助熔剂共混后850°C煅烧2小时。由此方法制得的精制硅藻土，平均颗粒直径为17～20μm，孔隙率为90％左右。

优选地，所述复合陶瓷滤芯的制备方法步骤S2中，采用超声分散碳纳米管，每次超声时间为5分钟，每次超声后将碳纳米管分散液放入冰块水中冷却2分钟，超声时间共计为1小时。

优选地，所述复合陶瓷滤芯的制备方法步骤S3中，球磨溶液选用蒸馏水，磨球材料为稳定相二氧化锆球珠，其直径为2.7mm。

优选地，所述惰性气体为氮气与氢气混合气体，所述氢气的体积占氮气与氢气混合气体的体积的10％。

优选地，所述复合陶瓷滤芯的制备方法步骤S5中，所述烧结过程中，升温速度为3°C/min，烧结温度为950°C，烧结时间为4小时，保温5个小时之后随炉冷却到室温。

本发明工艺的主要优点为：

（1）引入了多壁碳纳米管作为硅藻土和活性炭复合陶瓷材料的增强相，提高了此类复合陶瓷材料的机械强度，并且进一步提高了重金属离子的去除率。碳纳米管的抗拉强度达到50～200GPa，是钢的100倍；并且碳纳米管只会在非常高的应变（15％～20％）状况才会破坏，是目前发现最强的纤维。碳纳米管能抗扭转力引起的畸变，在许多情况下，碳纳米管可以在卸载时恢复原来的截面，不像石墨纤维，压缩时易破坏。压缩的纳米管形成波峰状的纽结，卸载后，能弹性地松弛。因此将碳纳米管与其他工程材料制成复合材料，可对基体起到强化作用。此外，多壁碳纳米管是很好的介孔材料。多壁碳纳米管具有疏水性表面、较大的比表面积以及较强的反应活性，因此具有良好的吸附性能。

（2）引入化学反应烧结机制，添加了微米金属铝粉，降低了硅藻土和活性炭复合陶瓷材料的烧结温度（<950°C），最大程度的保留了硅藻中天然的纳米微孔结构，使此类复合陶瓷材料具有纳滤功能，实现更好的净水效果；并通过化学反应生成的氮化铝颗粒连接硅藻土和活性炭颗粒，保证了此类复合陶瓷材料的机械强度(抗压强度>0.5GPa)和使用寿命。化学反应烧结机制是指在陶瓷颗粒中引入低熔点的金属粉末（例如铝粉，其熔点为660°C，其氮化温度范围在800～1200°C），通过化学反应（例如液态铝与氮气反应）来加速陶瓷颗粒烧结过程。与传统的陶瓷颗粒固相和液相烧结机制相比，化学反应烧结机制具有更低的烧结温度，并且在陶瓷颗粒间生成化合物（氮化铝，AlN），从而增加陶瓷的烧结密度和强度。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现详细说明本发明的具体实施方式。本发明中所用的各种试剂、原料等如无特殊说明，都可以直接在市场上购买得到。

实施例一

吉林长白山硅藻土经过酸洗（5mol/L H₂SO₄浸泡，浸泡温度为80°C，浸泡时间8小时），与2％NaCO₃的助熔剂共混后高温煅烧（850°C）2小时得到精制硅藻土，平均颗粒直径为17～20μm，孔隙率为90％左右。

复配分散剂为复配活性剂，由浓度0.08～0.15g/L全氟阳离子型表面活性剂（Fc-134，中科院上海有机化学研究所制造）和0.05～0.1g/L十二烷基磺酸钠按照2：1复配制得。分散溶液为蒸馏水。分散设备采用超声波粉碎机。取2～4mL的复配分散剂加入50mL蒸馏水中，充分搅拌10分钟后待用。取2g碳纳米管投入到配置好的50mL分散剂溶液中搅拌，使碳纳米管被分散剂水溶液完全润湿。采用超声分散碳纳米管，每次超声时间为5分钟，每次超声后将碳纳米管分散液放入冰块水中冷却2分钟，时间共计1小时，得到碳纳米管分散液。

将精制硅藻土600g，椰壳活性炭200g，分散剂90g，烧结助剂（金属铝粉和氯化铵按4：1质量比例组成）60g，氧化锌抗菌剂30g加入到球磨罐中，放入2000g二氧化锆磨珠，加入500mL蒸馏水，调整球磨机转速100rpm，球磨时间30分钟后将配好的碳纳米管分散液500mL（含20g碳纳米管）加入到球磨罐继续球磨60分钟后得到成分均匀分布的初级浆料。将10g絮凝剂羧甲基纤维素钠盐和20g钠基膨润土加入到球磨罐中，然后以球磨100rpm的转速球磨2小时后获得稳定的部分絮凝浆料。将此部分絮凝浆料静置16小时熟化，然后倒入到石膏模具中，静置15分钟，将石膏模翻转倒出剩余的浆料；保持模具倒转，静置2小时，脱模后得到直径40mm，壁厚5mm，长度150mm，一端开口，另一端封闭的陶瓷滤芯生坯。将滤芯生坯在100℃空气气氛下干燥12小时，然后在氮气与氢气混合气体（氢气10％，体积比）气流中烧结。烧结过程中，升温速度为3℃/min，烧结温度为950℃，烧结时间为4小时，保温5个小时之后随炉冷却到室温，最终获得含碳纳米管低温烧结高强度硅藻土基复合陶瓷滤芯。该复合陶瓷滤芯中，硅藻土与炭质量占滤芯总质量的91％。用阿基米德排水法测得该复合陶瓷滤芯的孔隙率为70％。采用微米压痕方法在陶瓷滤芯表面测量20点获取样品平均抗压强度，压痕测试采用vickers金刚石压头，测试施加压力为2N，得到其平均抗压强度为0.88GPa。本发明对一端开口，一端封闭的滤芯进行重力过滤效果检测，将未过滤的原水加入到复合陶瓷滤芯内，对从滤芯外壁渗透出来的水进行大肠杆菌去除率、氯离子去除率、铅离子去除率进行分析检测，大肠杆菌去除率>99.99％；水中残余氯离子去除率>99.5％、铅离子去除率>99.9％。

实施例二

吉林长白山硅藻土经过酸洗（5mol/L H2SO4浸泡，浸泡温度为80℃，浸泡时间8小时），与2%Na₂CO₃的助熔剂共混后高温煅烧（850℃）2小时得到精制硅藻土，平均颗粒直径为17～20μm，孔隙率为90％左右。

复配分散剂为复配活性剂，由浓度0.08～0.15g/L全氟阳离子型表面活性剂（Fc-134，中科院上海有机化学研究所制造）和0.05～0.1g/L十二烷基磺酸钠按照2：1复配制得。分散溶液为蒸馏水。分散设备采用超声波粉碎机。取2～4mL的复配分散剂加入50mL蒸馏水中，充分搅拌10分钟后待用。取0.5g碳纳米管投入到配置好的50mL分散剂溶液中搅拌，使碳纳米管被分散剂水溶液完全润湿。采用超声分散碳纳米管，每次超声时间为5分钟，每次超声后将碳纳米管分散液放入冰块水中冷却2分钟，时间共计1小时，得到碳纳米管分散液。

将精制硅藻土800g，椰壳活性炭120g，分散剂45g，烧结助剂（金属铝粉和氯化铵按4：1质量比例组成）20g，氧化锌抗菌剂10g加入到球磨罐中，放入2000g二氧化锆磨珠,加入500mL蒸馏水,调整球磨机转速100rpm，球磨时间30分钟后将配好的碳纳米管分散液500mL（含5g碳纳米管）加入到球磨罐继续球磨60分钟后得到成分均匀分布的初级浆料。将10g絮凝剂高岭土和20g钠基膨润土加入到球磨罐中，然后以球磨100rpm的转速球磨2小时后获得稳定的部分絮凝浆料。将此部分絮凝浆料静置16小时熟化，然后倒入到石膏模具中，静置15分钟，将石膏模翻转倒出剩余的浆料；保持模具倒转，静置2小时，脱模后得到直径40mm，壁厚5mm，长度150mm，一端开口，另一端封闭的陶瓷滤芯生坯。将滤芯生坯在100°C空气气氛下干燥12小时，然后在氮气与氢气混合气体（氢气10％，体积比）气流中烧结。烧结过程中，升温速度为3°C/min，烧结温度为950°C，烧结时间为4小时，保温5个小时之后随炉冷却到室温，最终获得含碳纳米管低温烧结高强度硅藻土基复合陶瓷滤芯。该复合陶瓷滤芯中，硅藻土与炭质量占滤芯总质量的97％。用阿基米德排水法测得该复合陶瓷滤芯的孔隙率为82％。采用微米压痕方法在陶瓷滤芯表面测量20点获取样品平均抗压强度，压痕测试采用vickers金刚石压头，测试施加压力为2N，得到其平均抗压强度为0.55GPa。本发明对一端开口，一端封闭的滤芯进行重力过滤效果检测，将未过滤的原水加入到复合陶瓷滤芯内，对从滤芯外壁渗透出来的水进行大肠杆菌去除率、氯离子去除率、铅离子去除率进行分析检测，大肠杆菌去除率>99.99％；水中残余氯离子去除率>99.5％、铅离子去除率>99.9％。

实施例三

吉林长白山硅藻土经过酸洗（5mol/L H₂SO₄浸泡，浸泡温度为80°C，浸泡时间8小时），与2％Na₂CO₃的助熔剂共混后高温煅烧（850°C）2小时得到精制硅藻土，平均颗粒直径为17～20μm，孔隙率为90％左右。

复配分散剂为复配活性剂，由浓度0.08～0.15g/L全氟阳离子型表面活性剂（Fc-134，中科院上海有机化学研究所制造）和0.05～0.1g/L十二烷基磺酸钠按照2：1复配制得。分散溶液为蒸馏水。分散设备采用超声波粉碎机。取2～4mL的复配分散剂加入50mL蒸馏水中，充分搅拌10分钟后待用。取2g碳纳米管投入到配置好的50mL分散剂溶液中搅拌，使碳纳米管被分散剂水溶液完全润湿。采用超声分散碳纳米管，每次超声时间为5分钟，每次超声后将碳纳米管分散液放入冰块水中冷却2分钟，时间共计1小时，得到碳纳米管分散液。

将精制硅藻土700g，椰壳活性炭150g，分散剂60g，烧结助剂（金属铝粉和氯化铵按4∶1质量比例组成）60g，氧化锌抗菌剂10g加入到球磨罐中，放入2000g二氧化锆磨珠，加入500mL蒸馏水，调整球磨机转速100rpm，球磨时间30分钟后将配好的碳纳米管分散液500mL（含20g碳纳米管）加入到球磨罐继续球磨60分钟后得到成分均匀分布的初级浆料。将10g絮凝剂羧甲基纤维素钠盐和20g钠基膨润土加入到球磨罐中，然后以球磨100rpm的转速球磨2小时后获得稳定的部分絮凝浆料。将此部分絮凝浆料静置16小时熟化，然后倒入到石膏模具中，静置25分钟，将石膏模翻转倒出剩余的浆料；保持模具倒转，静置2小时，脱模后得到直径40mm，壁厚10mm，长度150mm，一端开口，另一端封闭的陶瓷滤芯生坯。将滤芯生坯在100°C空气气氛下干燥48小时，然后在氮气保护下烧结。烧结过程中，升温速度为3°C/min，然后在氮气与氢气混合气体（氢气10％，体积比）气流中烧结。烧结过程中，升温速度为3°C/min，烧结温度为950°C，烧结时间为4小时，保温5个小时之后随炉冷却到室温，最终获得含碳纳米管低温烧结高强度硅藻土基复合陶瓷滤芯。该复合陶瓷滤芯中，硅藻土与炭质量占滤芯总质量的93％。用阿基米德排水法测得该复合陶瓷滤芯的孔隙率为78％。采用微米压痕方法在陶瓷滤芯表面测量20点获取样品平均抗压强度，压痕测试采用vickers金刚石压头，测试施加压力为2N，得到其平均抗压强度为0.80GPa。本发明对一端开口，一端封闭的滤芯进行重力过滤效果检测，将未过滤的原水加入到复合陶瓷滤芯内，对从滤芯外壁渗透出来的水进行大肠杆菌去除率、氯离子去除率、铅离子去除率进行分析检测，大肠杆菌去除率>99.99％；水中残余氯离子去除率>99.5％、铅离子去除率>99.9％。

实施例四

吉林长白山硅藻土经过酸洗（5mol/L H₂SO₄浸泡，浸泡温度为80°C，浸泡时间8小时），与2％Na₂CO₃的助熔剂共混后高温煅烧（850°C）2小时得到精制硅藻土，平均颗粒直径为17～20μm，孔隙率为90％左右。

复配分散剂为复配活性剂，由浓度0.08～0.15g/L全氟阳离子型表面活性剂（Fc-134，中科院上海有机化学研究所制造）和0.05～0.1g/L十二烷基磺酸钠按照2：1复配制得。分散溶液为蒸馏水。分散设备采用超声波粉碎机。取2～4mL的复配分散剂加入50mL蒸馏水中，充分搅拌10分钟后待用。取2g碳纳米管投入到配置好的50mL分散剂溶液中搅拌，使碳纳米管被分散剂水溶液完全润湿。采用超声分散碳纳米管，每次超声时间为5分钟，每次超声后将碳纳米管分散液放入冰块水中冷却2分钟，时间共计1小时，得到碳纳米管分散液。

将精制硅藻土700g，椰壳活性炭150g，分散剂60g，烧结助剂（金属铝粉和氯化铵按4∶1质量比例组成）60g，纳米氧化银抗菌剂10g加入到球磨罐中，放入2000g二氧化锆磨珠，加入500mL蒸馏水，调整球磨机转速100rpm，球磨时间30分钟后将配好的碳纳米管分散液500mL（含20g碳纳米管）加入到球磨罐继续球磨60分钟后得到成分均匀分布的初级浆料。将10g絮凝剂高岭土和20g钠基膨润土加入到球磨罐中，然后以球磨100rpm的转速球磨2小时后获得稳定的部分絮凝浆料。将此部分絮凝浆料静置16小时熟化，然后倒入到石膏模具中，静置25分钟，将石膏模翻转倒出剩余的浆料；保持模具倒转，静置2小时，脱模后得到直径40mm，壁厚10mm，长度150mm，一端开口，另一端封闭的陶瓷滤芯生坯。将滤芯生坯在100°C空气气氛下干燥48小时，然后在氮气保护下烧结。烧结过程中，升温速度为3°C/min，然后在氮气与氢气混合气体（氢气10％，体积比）气流中烧结。烧结过程中，升温速度为3°C/min，烧结温度为950°C，烧结时间为4小时，保温5个小时之后随炉冷却到室温，最终获得含碳纳米管低温烧结高强度硅藻土基复合陶瓷滤芯。该复合陶瓷滤芯中，硅藻土与炭质量占滤芯总质量的91％。用阿基米德排水法测得该复合陶瓷滤芯的孔隙率为78％。采用微米压痕方法在陶瓷滤芯表面测量20点获取样品平均抗压强度，压痕测试采用vickers金刚石压头，测试施加压力为2N，得到其平均抗压强度为0.81GPa。本发明对一端开口，一端封闭的滤芯进行重力过滤效果检测，将未过滤的原水加入到复合陶瓷滤芯内，对从滤芯外壁渗透出来的水进行大肠杆菌去除率、氯离子去除率、铅离子去除率进行分析检测，大肠杆菌去除率>99.99％；水中残余氯离子去除率>99.5％、铅离子去除率>99.9％。

实施例五

吉林长白山硅藻土经过酸洗（5mol/L H₂SO₄浸泡，浸泡温度为80°C，浸泡时间8小时），与2％Na₂CO₃的助熔剂共混后高温煅烧（850°C）2小时得到精制硅藻土，平均颗粒直径为17～20μm，孔隙率为90％左右。

复配分散剂为复配活性剂，由浓度0.08～0.15g/L全氟阳离子型表面活性剂（Fc-134，中科院上海有机化学研究所制造）和0.05～0.1g/L十二烷基磺酸钠按照2：1复配制得。分散溶液为蒸馏水。分散设备采用超声波粉碎机。取2～4mL的复配分散剂加入50mL蒸馏水中，充分搅拌10分钟后待用。取2g碳纳米管投入到配置好的50mL分散剂溶液中搅拌，使碳纳米管被分散剂水溶液完全润湿。采用超声分散碳纳米管，每次超声时间为5分钟，每次超声后将碳纳米管分散液放入冰块水中冷却2分钟，时间共计1小时，得到碳纳米管分散液。

将精制硅藻土700g，杏壳活性炭150g，分散剂60g，烧结助剂（金属铝粉和氯化铵按4∶1质量比例组成）60g，纳米TiO₂光催化抗菌剂10g加入到球磨罐中，放入2000g二氧化锆磨珠，加入500mL蒸馏水，调整球磨机转速100rpm，球磨时间30分钟后将配好的碳纳米管分散液500mL（含20g碳纳米管）加入到球磨罐继续球磨60分钟后得到成分均匀分布的初级浆料。将10g絮凝剂高岭土和20g钠基膨润土加入到球磨罐中，然后以球磨80rpm的转速球磨4小时后获得稳定的部分絮凝浆料。将此部分絮凝浆料静置16小时熟化，然后倒入到石膏模具中，静置25分钟，将石膏模翻转倒出剩余的浆料；保持模具倒转，静置2小时，脱模后得到直径40mm，壁厚10mm，长度150mm，一端开口，另一端封闭的陶瓷滤芯生坯。将滤芯生坯在100°C空气气氛下干燥48小时，然后在氮气保护下烧结。烧结过程中，升温速度为3°C/min，然后在氮气与氢气混合气体（氢气10％，体积比）气流中烧结。烧结过程中，升温速度为3°C/min，烧结温度为950°C，烧结时间为4小时，保温5个小时之后随炉冷却到室温，最终获得含碳纳米管低温烧结高强度硅藻土基复合陶瓷滤芯。该复合陶瓷滤芯中，硅藻土与炭质量占滤芯总质量的91％。用阿基米德排水法测得该复合陶瓷滤芯的孔隙率为76％。采用微米压痕方法在陶瓷滤芯表面测量20点获取样品平均抗压强度，压痕测试采用vickers金刚石压头，测试施加压力为2N，得到其平均抗压强度为0.83GPa。本发明对一端开口，一端封闭的滤芯进行重力过滤效果检测，将未过滤的原水加入到复合陶瓷滤芯内，对从滤芯外壁渗透出来的水进行大肠杆菌去除率、氯离子去除率、铅离子去除率进行分析检测，大肠杆菌去除率>99.99％；水中残余氯离子去除率>99.5％、铅离子去除率>99.9％。

以上对本发明的具体实施方法和效果进行了举例描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (13)

1.一种复合陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于，所述复合陶瓷滤芯含有以下质量份的原料：精制硅藻土60～80份，活性炭12～20份，分散剂4.5～9份，烧结助剂2～6份，抗菌剂1～3份,碳纳米管0.5～2份，絮凝剂0.5～5份和稳定剂2～5份；所述烧结助剂由金属铝粉和氯化铵按4:1质量比例组成，金属铝粉颗粒直径为1～3μm；所述絮凝剂为平均分子量为300万的羧甲基纤维素钠盐或高岭土；所述稳定剂为钠基膨润土；所述复合陶瓷滤芯的制备包括以下步骤：

S1：硅藻土原材料精制处理：硅藻土原材料经过酸洗，与助熔剂共混后高温煅烧得到精制硅藻土；

S2：碳纳米管的分散：取碳纳米管投入到复配分散剂溶液配制成1%～8%的纳米管分散液，该浓度为m/v，其单位为g/mL；

S3：注浆成型用的浆料的制备：将精制硅藻土、活性炭、分散剂、烧结助剂、碳纳米管分散液、抗菌剂，100～250rpm球磨30～60分钟得到初级浆料；加入絮凝剂和稳定剂，60～100rpm继续球磨0.5～2小时，取稳定的絮凝浆料静置熟化得到注浆成型用的浆料；

S4：模具内空心注浆成型、脱模及生坯的制备：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5～10mm后，倒出模具中未吸附的流动浆料，获得空心的滤芯坯体；将模具倒转，静置1～4小时，把滤芯坯体从石膏模内脱出，得到复合陶瓷滤芯生坯；

S5：复合陶瓷滤芯生坯干燥及低温烧结：将复合陶瓷滤芯生坯在80～110℃下干燥12～48小时；将干燥后的生坯在氮气和氢气混合气体中烧结，获得复合陶瓷滤芯。

2.根据权利要求1所述的复合陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：硅藻土原材料在80℃、5mol/L H₂SO₄中浸泡8小时后，与2%Na₂CO₃的助熔剂共混后850℃煅烧2小时。

3.根据权利要求1所述的复合陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，采用超声分散碳纳米管，每次超声时间为5分钟，每次超声后将碳纳米管分散液放入冰块水中冷却2分钟，超声时间共计为1小时。

4.根据权利要求1所述的复合陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，球磨溶液选用蒸馏水，磨球材料为稳定相二氧化锆球珠，其直径为2.7mm，球磨珠与球磨干料质量比例为2:1。

5.根据权利要求1所述的复合陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于：所述步骤S5中，所述氢气的体积占氮气与氢气混合气体的体积的10%。

6.根据权利要求1所述的复合陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于：烧结过程中，升温速度为3℃/min，烧结温度为950℃，烧结时间为4小时，保温5个小时之后随炉冷却到室温。

7.一种复合陶瓷滤芯，其特征在于：根据权利要求1-6任一项所述的复合陶瓷滤芯的制备方法制得。

8.根据权利要求7所述的复合陶瓷滤芯，其特征在于：由以下质量份的原料组成：精制硅藻土68份，活性炭15份，分散剂6份，烧结助剂6份，抗菌剂1份,碳纳米管2份，絮凝剂1份和的稳定剂2份。

9.根据权利要求7所述的复合陶瓷滤芯，其特征在于：精制硅藻土平均颗粒直径为17～20μm，孔隙率为90%。

10.根据权利要求7所述的复合陶瓷滤芯，其特征在于：活性炭为果壳活性炭，平均颗粒直径为15μm。

11.根据权利要求7所述的复合陶瓷滤芯，其特征在于：分散剂为碳酸钠。

12.根据权利要求7所述的复合陶瓷滤芯，其特征在于：抗菌剂选用纳米氧化锌、纳米氧化银或者TiO₂光催化无机抗菌剂中的一种，其颗粒直径为50～80nm。

13.根据权利要求7所述的复合陶瓷滤芯，其特征在于：所述碳纳米管为多壁碳纳米管，其孔径为10～20nm,长度为5～15μm。