CN102961974A - 一种地质聚合物无机膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地质聚合物无机膜及其制备方法。地质聚合物无机膜以碱激发偏高岭土地质聚合物为成膜材料，以水为调节剂，通过调节地质聚合物中H₂O/Na₂O摩尔比来改变孔隙率和孔径尺寸，通过涂覆工艺在多孔支撑体表面制备厚度为20-500微米的无机分离膜。本发明制备的地质聚合物材料反应温度低，容易成型，所用原料在市场上容易获得，价格便宜，其制备的无机膜将在饮用水净化、污水处理、海水淡化、汽车尾气净化、工业液固分离等方面将有广泛应用。

Description

一种地质聚合物无机膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种无机膜材料及其制备方法，具体是一种地质聚合物无机膜及其制备方法。

背景技术

地质聚合物材料的应用可追溯到古代，即以高岭土、白云岩或石灰岩与盐湖成分Na₂CO₃、草木灰成分K₂CO₃以及硅石的混合物，加水拌和后产生强碱NaOH和KOH，与其它组分发生反应，通过无机聚合粘结剂制成人造石头。

法国的J.Davidovits首先提出对这类碱激活材料统一进行命名，当时确定的名称是聚铝硅酸盐（Polysialate，Sialate是silicon-oxo-aluminate的缩写）。之后不久，他又在另一篇美国专利中采用了一个更加通俗的名称“地质聚合物”(Geopolymer)来指代聚铝硅酸盐；目前，世界上有许多专门研究机构如在致力于地聚物材料的研究工作，如法国的“Geopolymer Institute”和美国的“Waterways Experiment Station”、澳大利亚的“Geopolymer Alliance”等。有关地聚物科学的理论和应用研究成果正在快速增长。

无机膜的首次研制和开发要追溯到20世纪70年代末，当时法国和美国以铀浓缩为目的而把膜引进分离领域。到了20世纪末，多层、多孔道的无机膜和用于高温、强酸碱环境的无机膜得到了发展，且走向商业化；到了21世纪初，无机膜已经广泛应用于食品、生物、化工、能源、环境等领域。

无机膜按其材质分主要有金属膜和陶瓷膜两大类；按膜结构分，主要可分为多孔膜、致密膜和分子筛膜；按膜分离机理又分为纳滤膜、超滤膜、微滤膜等。与高聚物分离膜相比，无机膜有以下特点:

（1）热稳定好,适用于高温、高压体系。试用温度一般都可以达到400摄氏度，有时可以高达800摄氏度。

（2）化学稳定性好，能耐酸和弱碱，pH值试用范围宽。

（3）抗微生物能力强，与一般微生物不发生生化及化学反应。

（4）无机膜组件机械强度大。无机膜一般都是以载体膜的形式应用，而载体都是经过高压和焙烧制成的微孔陶瓷材料和多孔玻璃等，涂膜后再经过高温焙烧，使膜非常牢固，不易脱落和破裂。

（5）清洁状态好。本身无毒，不会使被分离体系受到污染。容易再生和清洗。当膜污染被堵塞后、可以进行反吹及冲洗，也可以在高温下进行化学清洗。

（6）无机膜的孔分布窄，分离性能好。其缺点是：没有弹性，比较脆；不易加工；可用于制造无机膜的材料比较稀少；成本比较昂贵；强碱条件下容易受到污染和侵蚀。

无机膜的制备方法很多，应根据制膜材料、膜及载体的结构、膜孔径大小、孔隙率和膜厚度不同而选择。目前常用的、有工业应用前景的制备方法主要有：固态离子烧结法、溶胶－凝胶法、薄膜沉积法、阳极氧化法、相分离-沥滤法、热分解法、水热法等等。

申请号为99118127.1的中国发明专利公开了一种制造陶瓷膜的方法。该方法先制备提供陶瓷粉末的胶态悬浮体和提供聚合物前体，然后将两者混合，最后涂布成膜。

申请号为00117221.2的中国发明专利公开了一种梯度陶瓷膜管及其制备方法。该方法将陶瓷料浆经陶瓷膜管机离心成型，然后经脱模，烧结，冷却得到梯度陶瓷膜管。该陶瓷膜管具有防污染、防堵、一次烧成等优点。

申请号为96116931.1的中国发明专利公开了一种无机膜家用净水器的制备方法。该净水器的过滤元件为无机膜组成，而该无机膜有除菌、除浊等功能。

综合现有相关成果来看，没发现利用地聚物材料制备无机膜的专利。

发明内容

本发明的目的在于利用廉价的化工原材料，克服现有无机膜材料生产技术的不足，提供一种成本低、制备工艺简单，生产效率高，产品性能优越，无毒无污染的一种利用地质聚合物制备无机膜的方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

1.一种地质聚合物无机膜是以固相S、液相L和水为原料，其中：固相S为偏高岭土，液相L为模数为1.2～1.5的工业钠水玻璃（或钾水玻璃），固相S与液相L的质量比为1∶1；原料经过搅拌制成地质聚合物浆料，地质聚合物浆料中H₂O/Na₂O摩尔比为10～20；地质聚合物浆料经真空除泡后得到成膜基料，将成膜基料涂覆于片状或管状多孔支撑体表面，置于60°C烘箱中养护24小时，即可获得地质聚合物无机膜。

上述多孔支撑体为多孔氧化铝陶瓷或者多孔不锈钢或者多孔地聚物材料。

上述的成膜基料固化成型后试样的抗压强度为6.0～60.0MPa、孔隙率为7%～55%,平均孔径分布在3nm-150nm之间。

上述的成膜基料涂覆工艺是将地质聚合物成膜基料通过喷涂、刷涂或浸涂，在多孔支撑体表面形成厚度为20～500微米的膜；经养护后检测，该无机膜的纯水通量在1-1000kgh^-1m^-2之间且连续可控。

2.一种地质聚合物无机膜的制备方法，包括如下步骤：

（1）地质聚合物成膜基料的配制：

按质量比1∶1称取偏高岭土和模数为1.2～1.5的工业钠水玻璃或钾水玻璃，混合并搅拌均匀后得到地质聚合物浆料，待用。

（2）去离子水的加入：

在上述地质聚合物浆料中，按照设计配比加入去离子水，保持地质聚合物浆料中H₂O/Na₂O摩尔比在10～20之间，混合均匀并搅拌10分钟，真空除泡后得到地质聚合物基料，待用。

（3）将上述得到的地质聚合物基料通过喷涂、刷涂或浸涂，在多孔支撑体表面形成厚度为20～500微米的膜，置于60°C烘箱中养护24小时即获得地质聚合物无机膜，经测试，其纯水通量在1～1000kgh^-1m^-2之间且连续可控。

本发明与现有无机膜制备技术相比具有以下优点：

1.本发明提供了一种工艺简单，成本低廉，绿色环保的无机膜制备方法。地质聚合物材料耐高温，耐酸耐碱，可以制备在苛刻环境下应用的无机膜。

2.本发明所得无机膜材料性能优越。制备的无机膜材料抗压强度达到6-60MPa，水通量可控制在1-1000kgh^-1m^-2之间，涂覆于不同支撑体表面可制备多种无机膜。

3.本发明专利制备过程中不需要高温烧结，制备温度在60℃以下。与传统无机膜制备工艺相比，本发明更容易制备大尺寸和形状复杂的膜材料。

4.本发明利用水来控制膜的孔径和孔隙率，容易制备孔径小，分布均匀的膜材料，有望在饮用水净化、污水处理、海水淡化、汽车尾气净化、工业液固分离等方面有广泛应用。

5.本发明属于地质聚合物制备无机膜材料技术，经检索，没有类似的技术申报专利。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

地质聚合物无机膜的制备方法如下：

（1）地质聚合物成膜基料的配制：

按质量比1∶1称取偏高岭土和模数为1.2的工业钠水玻璃，混合并搅拌均匀后待用；

（2）去离子水的加入：

在上述所得地质聚合物浆料中，按照设计配比加入去离子水，保持地质聚合物浆料中H₂O/Na₂O摩尔比为10，混合均匀并搅拌10分钟，真空除泡后待用；

（3）上述地质聚合物成膜基料固化后经测试，抗压强度为60MPa，孔隙率为7%，平均孔径为3nm。将上述地质聚合物基料通过浸涂，在片状多孔氧化铝支撑体表面形成厚度为500微米的膜，置于60°C烘箱中养护24小时即可使用。经测试，其纯水通量为1kgh^-1m^-2。

实施例2

地质聚合物无机膜的制备方法如下：

（1）地质聚合物成膜基料的配制：

按质量比1∶1称取偏高岭土和模数为1.5的工业钠水玻璃，混合并搅拌均匀后待用；

（2）去离子水的加入：

在上述所得地质聚合物浆料中，按照设计配比加入去离子水，保持地质聚合物浆料中H₂O/Na₂O摩尔比为20，混合均匀并搅拌10分钟，真空除泡后待用；

（3）上述地质聚合物成膜基料固化后经测试，抗压强度为6MPa，孔隙率为55%，平均孔径为150nm。将上述地质聚合物基料通过浸涂，在片状多孔不锈钢片支撑体表面形成厚度为20微米的膜，置于60°C烘箱中养护24小时即可使用。经测试，其纯水通量为1000kgh^-1m^-2。

实施例3

地质聚合物无机膜的制备方法如下：

（1）地质聚合物成膜基料的配制：

按质量比1∶1称取偏高岭土和模数为1.3的工业钾水玻璃，混合并搅拌均匀后待用；

（2）去离子水的加入：

在上述所得地质聚合物浆料中，按照设计配比加入去离子水，保持地质聚合物浆料中H₂O/Na₂O摩尔比为14，混合均匀并搅拌10分钟，真空除泡后待用；

（3）上述地质聚合物成膜基料固化后经测试，抗压强度为20MPa，孔隙率为35%，平均孔径为13.6nm。将上述地质聚合物基料通过浸涂，在管状多孔氧化铝支撑体表面形成厚度为50微米的膜，置于60°C烘箱中养护24小时即可使用。经测试，其纯水通量为100kgh^-1m^-2。

实施例4

地质聚合物无机膜的制备方法如下：

（1）地质聚合物成膜基料的配制：

按质量比1∶1称取偏高岭土和模数为1.3的工业钠水玻璃，混合并搅拌均匀后待用；

（2）去离子水的加入：

在上述所得地质聚合物浆料中，按照设计配比加入去离子水，保持地质聚合物浆料中H²O/Na²O摩尔比为19，混合均匀并搅拌10分钟，真空除泡后待用；

（3）上述地质聚合物成膜基料固化后经测试，抗压强度为8MPa，孔隙率为49%，平均孔径为120nm。将上述地质聚合物基料通过浸涂，在片状多孔地质聚合物支撑体表面形成厚度为20微米的膜，置于60°C烘箱中养护24小时即可使用。经测试，其纯水通量为800kgh^-1m^-2。

Claims (4)

1.一种地质聚合物无机膜，其特征在于：以固相S、液相L和水为原料，其中：固相S为偏高岭土，液相L为模数为1.2～1.5的工业钠水玻璃或钾水玻璃，固相S与液相L的质量比为1∶1；原料经过搅拌制成地质聚合物浆料，地质聚合物浆料中H₂O/Na₂O摩尔比为10～20；地质聚合物浆料经真空除泡后得到成膜基料，将成膜基料涂覆于片状或管状多孔支撑体表面，置于60°C烘箱中养护24小时，即可获得地质聚合物无机膜；

所述多孔支撑体为多孔氧化铝陶瓷或者多孔不锈钢或者多孔地聚物材料。

2.根据权利要求1所述的一种地质聚合物无机膜，其特征在于：所述的成膜基料固化成型后试样的抗压强度为6.0～60.0MPa、孔隙率为7%～55%,平均孔径分布在3nm-150nm之间。

3.根据权利要求1所述的一种地质聚合物无机膜，其特征在于：所述的成膜基料涂覆工艺是将地质聚合物成膜基料通过喷涂、刷涂或浸涂，在多孔支撑体表面形成厚度为20～500微米的膜；经养护后检测，该无机膜的纯水通量在1-1000kgh^-1m^-2之间且连续可控。

4.如权利要求1所述的一种地质聚合物无机膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）地质聚合物成膜基料的配制：

按质量比1∶1称取偏高岭土和模数为1.2～1.5的工业钠水玻璃或钾水玻璃，混合并搅拌均匀后得到地质聚合物浆料，待用；

（2）去离子水的加入：

在上述地质聚合物浆料中，按照设计配比加入去离子水，保持地质聚合物浆料中H₂O/Na₂O摩尔比在10～20之间，混合均匀并搅拌10分钟，真空除泡后得到地质聚合物基料，待用；

（3）将上述得到的地质聚合物基料通过喷涂、刷涂或浸涂，在多孔支撑体表面形成厚度为20～500微米的膜，置于60°C烘箱中养护24小时即获得地质聚合物无机膜，经测试，其纯水通量在1～1000kgh^-1m^-2之间且连续可控。