CN103011893A - 一种硅藻土基片状陶瓷膜及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料科学与工程类，具体涉及一种硅藻土基片状陶瓷膜的制备方法，以及在富营养化水体中的应用。所述硅藻土基片状陶瓷膜是以硅藻土为主要原料的微滤陶瓷膜，各组分重量比分别为：硅藻土70％～94％，天然沸石0.5％～5％，淀粉5％～25％。该硅藻土基片状陶瓷膜经混合、造粒、模压成型及烧结步骤制得。本发明具有成本低，制备方式简单易行等优点；且造粒更均匀，颗粒级配后压成的膜坯更平整，膜的通量也更高。

Description

一种硅藻土基片状陶瓷膜及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于材料科学与工程类，具体涉及一种硅藻土基片状陶瓷膜的制备方法及参数确定，以及在富营养化水体中的应用。

背景技术

目前，用于制备微孔陶瓷膜的材料很多，如高硅质硅酸盐材料（主要以硬质瓷渣、耐酸陶瓷渣及其它耐酸的合成陶瓷颗粒为集料），具有耐水性、耐酸性，但受材质所限使用温度较低；铝硅酸盐材料（以耐火黏土熟料、烧矾土、硅线石和合成莫来石质颗粒为集料），使用温度可达1000℃；堇青石、钛酸铝材料，因材质的热膨胀系数小，特别适用于抗热冲击的环境；硅藻土质材料（主要以精选硅藻土为原料），因硅藻土具有过滤及吸附性能，故以硅藻土为主要材料，制备处理水的微孔陶瓷膜具有好的工业前景。

公开号为CN102260068A、名称为“具有吸附和截留功能的陶瓷膜的制备方法”的专利文献公开了一种用凹凸棒土与去离子水混合为原料制备陶瓷膜的方法，其缺陷是：该膜的清水通量小，抗压强度低，工业应用价值低。公开号为CN102389719A、名称为“一种碳化硅陶瓷膜支撑体及其制备方法”的专利文献公开了一种用碳化硅粉体与溶剂、粘结剂、增塑剂、造孔剂等体混合制备陶瓷膜的方法，其缺陷是：混合材料复杂，生坯还需脱水脱脂煅烧，操作复杂。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的不足，提出一种清水通量大、分离性能好、孔隙率高、操作简单、价格低廉的硅藻土基片状陶瓷膜。

本发明的另一目的是提出硅藻土陶瓷膜的制备方法，以及陶瓷膜最佳参数的确定。

本发明的硅藻土基片状陶瓷膜是一种以硅藻土为主要原料的微滤陶瓷膜，通过添加沸石作助烧剂、淀粉作造孔剂从而制得高通量，高孔隙率的陶瓷膜；陶瓷膜的各组分比例按重量计分别为：硅藻土70％～94％，天然沸石0.5％～5％，淀粉5％～25％。

所述硅藻土基片状陶瓷膜的制备方法，是把配方量的硅藻精土、沸石和淀粉，与去离子水混合后，放入球磨罐中，控制球磨机转速为220r/min，运行6～7h；将混合物料烘干，干磨后的原料粉体中加入少许去离子水，粉体稍有粘性后过10～80目筛，陈化24h后，颗粒级配；再将粒状物料放入模具中，用压力机在模具中5～40MPa下加压成型；将成型后的模坯放入烘箱中，在105℃烘干去除其中水分；最后将模坯放入马弗炉中，进行烧结，烧结温度900～1200℃，制得平板状陶瓷膜。

硅藻土基片状陶瓷膜具体的制备步骤如下：

（1）混合粉体：将500目硅藻土，可溶性淀粉和20目沸石颗粒按重量比混合，放入玛瑙球磨罐中（其中磨球、原料、去离子水的体积比为1.5：1：l），球磨机内220r/min下湿磨6～7h；将湿磨后的原料放入烘箱中65℃烘干后，放入球磨机中干磨成粉体。

（2）造粒：将干磨后的原料粉体加入去离子水，去离子水：粉体=（1～3）：20（重量比），粉体稍有粘性后过10～80目筛；干燥陈化24h后，颗粒级配，得10～80目粉粒。

（3）模压成型：将粒料加入到自制钢制模具中，通过正压和反压使粉料受力相对均匀，在5~40MPa将其压成片状，并将片状膜坯放入105℃干燥箱中干燥24h。

（4）烧结：压制好的陶瓷膜坯体放入马弗炉烧结，严格控制升温速率，温度低于200℃时，升温速率控制在2～3℃/min；在200～300℃时，升温速率控制在1～2℃/min；当温度达到300℃时，需在将温度保温在300℃约2～3h；在300～900℃时，升温速率控制在3～6℃/min；在900～1100℃时升温速率控制在1～2℃/min；当温度达到1100℃时保温30min。

硅藻土基片状陶瓷膜最佳参数的确定是采用正交分析法，通过考察正交分析实验制得的片状陶瓷膜的清水通量、耐酸性、耐碱性和抗压强度确定最佳材料配比及工艺条件。

本发明所采用的硅藻土本身具有多孔结构，且具有大的比表面积，从而大大提高了微滤陶瓷膜的孔隙率，并且淀粉作为造孔剂效果也非常好。

本发明采用了来源广泛的工业级产品或天然产品，采用硅藻土、沸石、淀粉等常用的原料为制备原料，价格低廉，制备方式简单易行。

本发明采用的造料方法比湿磨后直接手工造粒的方法方便，且造粒更均匀，颗粒级配后压成的膜坯更平整，膜的通量也更高。

本发明制备的硅藻土微滤陶瓷膜在0.05~0.09MPa过滤压力下对富营化水体进行处理，通过筛分、架桥、吸附等作用将水体中的Chl-a去除，保障了水体的安全。

附图说明

图1是硅藻土基片状陶瓷膜水处理前的断面扫描电镜照片。

图2是硅藻土基片状陶瓷膜水处理前的表面扫描电镜照片。

图3是硅藻土基片状陶瓷膜水处理后的断面扫描电镜照片。

图4是硅藻土基片状陶瓷膜水处理后的表面扫描电镜照片。

具体实施方式

本发明制备硅藻土基片状陶瓷膜的方法，主要材料是硅藻土，并添加沸石作助烧剂、淀粉作粘结剂及造孔剂。

硅藻基片状陶瓷膜的各组分比重及工艺参数分别为：硅藻土70％～94％，沸石0.5％～5％，淀粉5％～25％，成型压强5～40MPa，烧结温度900～1200℃。把硅藻精土、沸石、淀粉和去离子水按一定比例混合后，放入球磨罐中，控制球磨机转速为220r/min，运行6～7h；将混合物料烘干，干磨后的原料粉体中加入少许去离子水，粉体稍有粘性后过10～80目筛，陈化24h后，颗粒级配；再将粒状物料放入模具中，用压力机在模具中5～40MPa下加压成型；将成型后的模坯放入烘箱中，在105℃烘干去除其中水分；最后将模坯放入马弗炉中，按照严格的烧结程序进行烧结，制得平板状陶瓷膜。

本发明所制备的硅藻土基片状陶瓷膜主要材料为来源广泛的工业级产品或天然产品，不仅价格低廉，而且本身具有多孔结构，使陶瓷膜有较高的孔隙率，同时在较低的过滤压差下保证较高清水通量，克服了现有的膜材料在过滤时能耗过大的问题。在处理富营养化水体时能高效而迅速地去除水体中Chl-a，保证了水体净化中的安全性。

以下提供5个实施例以进一步阐述本发明：

实施例1

硅藻土基片状陶瓷膜材料各组分及工艺条件如下：

硅藻土（%）	沸石（%）	可溶性淀粉（%）	成型压强(MPa)	烧结温度(℃)
					84	1	15	11	1100

制备硅藻土基片状陶瓷膜时，在混合粉体中外加相同体积的去离子水，放入球磨罐中，控制球磨机转速为220r/min，运行6～7h；将混合物料烘干，干磨后的原料粉体中加入少许去离子水，粉体稍有粘性后过60目筛，陈化24h后，颗粒级配；再将粒料加入到自制钢制模具中，通过正压和反压使粉料受力相对均匀，在11MPa下将其压成片状，并将片状膜坯放入105℃干燥箱中干燥24h，压制好的陶瓷膜坯体放入电阻炉烧结，严格控制升温速率，控制100~300℃时升温速率在1℃/min，达到300℃时需要保温120min，炉内温度在300~1000℃时升温速率控制在6℃/min，当温度处于1000~1100℃时，控制升温速率在1~2℃/min，达到1100℃保温30min，制得片状微滤陶瓷膜。

在粉体压制成型时，采用的模具为自行设计，其结构如图1。将粉体置于圆片之间，先进行正压成型，保压3min，再反压，保压3min。最后脱模，取膜坯。

对制得的陶瓷膜性能分析，其清水通量为13.67m³/（m²·h），酸腐蚀量为0.67%，抗压强度为4.13MPa，用其处理江苏某湖富营养化水体，其对Chl-a的去除率达99%。

图1是该实验方案下制得的硅藻土基片状陶瓷膜水处理前的断面扫描电镜照片。照片放大的倍数为10000倍。由图可知制备的陶瓷膜内部微孔孔隙率高，孔径分布较窄在0.5μm～1.2μm之间。对比图3可知陶瓷膜在对富营养化水体进行处理之后，陶瓷膜的内部颗粒表面覆盖了一层污染物质，同时微孔孔隙率有所降低，孔径也较小，约在0.2μm-0.8μm之间，可见经过水处理之后的陶瓷膜孔隙率和清水通量会明显减小，运行一段时间后可通过反冲洗提高清水通量。

图2是该实验方案下制得的硅藻土基片状陶瓷膜水处理前的表面扫描电镜照片。照片的放大倍数为5000倍。由图可知陶瓷膜的陶瓷膜表面微孔分布均匀，膜面也十分平整且无针孔出现。对比图4可知陶瓷膜在对富营养化水体进行处理之后，陶瓷膜表面会附着一些污染物质，孔隙分布不再均匀，膜的表面也不再十分平整。

实施例2

硅藻土基片状陶瓷膜材料各组分及工艺条件如下：

硅藻土（%）	沸石（%）	可溶性淀粉（%）	成型压强(MPa)	烧结温度(℃)
					94	1	5	9	900

制备硅藻土基片状陶瓷膜时，在混合粉体中外加相同体积的去离子水，1.5倍体积的磨球，放入球磨罐中，控制球磨机转速为220r/min，运行6～7h；将混合物料烘干，干磨后的原料粉体中加入少许去离子水，粉体稍有粘性后过60目筛，陈化24h后，颗粒级配；再将粒料加入到自制钢制模具中，通过正压和反压使粉料受力相对均匀，在9MPa下将其压成片状，并将片状膜坯放入105℃干燥箱中干燥24h，压制好的陶瓷膜坯体放入电阻炉烧结，严格控制升温速率，控制100~300℃时升温速率在1℃/min，达到300℃时需要保温120min，炉内温度在300~700℃时升温速率控制在6℃/min，当温度处于700~900℃时，控制升温速率在1~2℃/min，达到900℃保温30min，制得片状微滤陶瓷膜。

对制得的陶瓷膜性能分析，其清水通量为7.02m³/（m²·h），酸腐蚀量为3.29%，抗压强度为1.35MPa，用其处理江苏某湖富营养化水体，其对Chl-a的去除率达91%。

实施例3

硅藻土基片状陶瓷膜材料各组分及工艺条件如下：

硅藻土（%）

沸石（%）

可溶性淀粉（%）

成型压强(MPa)

烧结温度(℃)

85

5

10

11

1000

制备硅藻土基片状陶瓷膜时，在混合粉体中外加去离子水，放入球磨罐中，控制球磨机转速为220r/min，运行6～7h；将混合物料烘干，干磨后的原料粉体中加入少许去离子水，粉体稍有粘性后过60目筛，陈化24h后，颗粒级配；再将粒料加入到自制钢制模具中，通过正压和反压使粉料受力相对均匀，在11MPa下将其压成片状，并将片状膜坯放入105℃干燥箱中干燥24h，压制好的陶瓷膜坯体放入电阻炉烧结，严格控制升温速率，控制100~300℃时升温速率在1℃/min，达到300℃时需要保温120min，炉内温度在300~800℃时升温速率控制在6℃/min，当温度处于800~1000℃时，控制升温速率在1~2℃/min，达到1000℃保温30min，制得片状微滤陶瓷膜。

对制得的陶瓷膜性能分析，其清水通量为7.71m³/（m²·h），酸腐蚀量为1.98%，抗压强度为2.37MPa，用其处理江苏某湖富营养化水体，其对Chl-a的去除率达94%。

实施例4

硅藻土基片状陶瓷膜材料各组分及工艺条件如下：

硅藻土（%）	沸石（%）	可溶性淀粉（%）	成型压强(MPa)	烧结温度(℃)
					74.5	0.5	25	9	1000

制备硅藻土基片状陶瓷膜时，在混合粉体中外加相同体积的去离子水，放入球磨罐中，控制球磨机转速为220r/min，运行6～7h；将混合物料烘干，干磨后的原料粉体中加入少许去离子水，粉体稍有粘性后过60目筛，陈化24h后，颗粒级配；再将粒料加入到自制钢制模具中，通过正压和反压使粉料受力相对均匀，在9MPa下将其压成片状，并将片状膜坯放入105℃干燥箱中干燥24h，压制好的陶瓷膜坯体放入电阻炉烧结，严格控制升温速率，控制100~300℃时升温速率在1℃/min，达到300℃时需要保温120min，炉内温度在300~800℃时升温速率控制在6℃/min，当温度处于800~1000℃时，控制升温速率在1~2℃/min，达到1000℃保温30min，制得片状微滤陶瓷膜。

对制得的陶瓷膜性能分析，其清水通量为8.36m³/（m²·h），酸腐蚀量为2.05%，抗压强度为2.28MPa，用其处理江苏某湖富营养化水体，其对Chl-a的去除率达91%。

实施例5

硅藻土基片状陶瓷膜材料各组分及工艺条件如下：

硅藻土（%）	沸石（%）	可溶性淀粉（%）	成型压强(MPa)	烧结温度(℃)
					84	1	20	13	1000

制备硅藻土基片状陶瓷膜时，在混合粉体中外加去离子水，放入球磨罐中，控制球磨机转速为220r/min，运行6～7h；将混合物料烘干，干磨后的原料粉体中加入少许去离子水，粉体稍有粘性后过60目筛，陈化24h后，颗粒级配；再将粒料加入到自制钢制模具中，通过正压和反压使粉料受力相对均匀，在13MPa下将其压成片状，并将片状膜坯放入105℃干燥箱中干燥24h，压制好的陶瓷膜坯体放入电阻炉烧结，严格控制升温速率，控制100~300℃时升温速率在1℃/min，达到300℃时需要保温120min，炉内温度在300~800℃时升温速率控制在6℃/min，当温度处于800~1000℃时，控制升温速率在1~2℃/min，达到1000℃保温30min，制得片状微滤陶瓷膜。

对制得的陶瓷膜性能分析，其清水通量为12.03m³/（m²·h），酸腐蚀量为1.92%，抗压强度为2.16MPa，用其处理江苏某湖富营养化水体，其对Chl-a的去除率达94%。

Claims (4)

1.一种硅藻土基片状陶瓷膜，是以硅藻土为主要原料的微滤陶瓷膜，其特征在于陶瓷膜的各组分重量比分别为：硅藻土70％～94％，天然沸石0.5％～5％，淀粉5％～25％。

2.一种制备权利要求1所述硅藻土基片状陶瓷膜的方法，其特征在于，把配方量的硅藻精土、沸石和淀粉，与去离子水混合后，放入球磨罐中，控制球磨机转速为220 r/min，运行6～7h；将混合物料烘干，干磨后的原料粉体中加入少许去离子水，粉体稍有粘性后过10～80目筛，陈化24h后，颗粒级配；再将粒状物料放入模具中，用压力机在模具中5～40MPa下加压成型；将成型后的模坯放入烘箱中，在105℃烘干去除其中水分；最后将模坯放入马弗炉中，进行烧结，烧结温度900～1200℃，制得平板状陶瓷膜。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于具体步骤是：

（1）混合粉体：将500目硅藻土，可溶性淀粉和20目沸石颗粒按比例混合，放入玛瑙球磨罐中，其中磨球：原料：去离子水的体积比分别为1.5：1：l，球磨机内220r/min下湿磨6～7h；将湿磨后的原料放入烘箱中65℃烘干后，放入球磨机中干磨成粉体；

（2）造粒：将干磨后的原料粉体加入去离子水，按重要比计，去离子水：粉体=（1～3）：20，粉体稍有粘性后过10～80目筛；干燥陈化24h后，颗粒级配，得10～80目粉粒；

（3）模压成型：将粒料加入到自制钢制模具中，通过正压和反压使粉料受力相对均匀，在5~40MPa将其压成片状，并将片状膜坯放入105℃干燥箱中干燥24h；

（4）烧结：压制好的陶瓷膜坯体放入马弗炉烧结，严格控制升温速率，温度低于200℃时，升温速率控制在2～3℃/min；在200～300℃时，升温速率控制在1～2℃/min；当温度达到300℃时，需在将温度保温在300℃约2～3h；在300～900℃时，升温速率控制在3～6℃/min；在900～1100℃时升温速率控制在1～2℃/min；当温度达到1100℃时保温30min。

4. 权利要求1所述硅藻土微滤陶瓷膜在对富营化水体进行处理中的应用。

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