CN114307665B - 一种大直径侧积水流道蜂窝陶瓷过滤膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大直径侧积水流道蜂窝陶瓷过滤膜的制备方法，包括如下步骤：(1)配制坯体泥料，经陈腐后，获得陈腐泥料；(2)将陈腐泥料通过挤出机挤出形成坯体，边挤出边用低温氮气在挤出机的模具口将坯体迅速降温，挤出至设定长度后进行切断，获得高强度坯体；(3)用开槽机在上述高强度坯体上加工出侧积水流道，并封堵两端的出水流道，获得加工后蜂窝陶瓷坯体；(4)将上述加工后蜂窝陶瓷坯体进行冷冻干燥，进行烧结，获得大直径蜂窝陶瓷膜支撑体；(5)在上述大直径蜂窝陶瓷膜支撑体上制备至少一层过滤膜层，即得所述大直径侧积水流道蜂窝陶瓷过滤膜。本发明成型压力低，对挤出设备和模具磨损小，坯体不会变形开裂，成品率高达92‑96％。

Description

一种大直径侧积水流道蜂窝陶瓷过滤膜的制备方法

技术领域

本发明属于陶瓷膜技术领域，具体涉及一种大直径侧积水流道蜂窝陶瓷过滤膜的制备方法。

背景技术

水污染问题已经成为世界关注的重要问题，很多国家都已经出现水资源短缺的现象。水资源污染问题日益加剧，如何处理大量的生产生活污水，已经成为当今我国经济建设的一项重要任务。膜分离技术是指在分子水平上，不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术，膜分离过程主要包括超滤、微孔过滤、反渗透、透析等，被认为是21世纪最优前景的水处理技术之一。近年来，膜分离技术发展的非常快，膜材料制备和膜分离应用都取得大幅度的技术进步，在水资源的处理中已经得到了广泛的应用。

众多膜分离技术中，无机陶瓷膜技术因其结构稳定、不会被微生物腐蚀、耐高温、机械强度高等特点脱颖而出。与有机膜材料相比，陶瓷膜材料具有耐酸耐碱性能强、机械强度高、孔径分布均匀、无须投加药剂等突出优点，在油水分离、水处理等领域已经引起了国内外的广泛关注。这些优势确保了无机陶瓷膜技术在水资源处理中的广泛应用，呈现出了远大的发展前景。大直径蜂窝陶瓷膜其装填面积大，单位膜成本低，是水处理应用陶瓷膜的理想构型。然而，由于大直径蜂窝陶瓷膜其通孔孔数多，孔密度高，孔壁薄，生坯自重大，其在成型过程中非常容易变形(外径偏差大于10mm，弯曲度大于5mm)和开裂，成品率低。目前通常采用低含水率，高韧性的泥料在10-20Mpa的超高挤出压力下进行成型，但也存在容易内裂，设备和模具损耗大，成品率低，制备成本高昂的难题。且为了提高水处理蜂窝陶瓷膜运行过程中的出水效率，通常在蜂窝陶瓷膜素烧或者烧结完毕后，需要在蜂窝陶瓷膜的侧面加工积水流道。而在积水流道加工过程中，由于蜂窝陶瓷膜硬度高，脆性大，加工成本高，且容易碎裂，因而进一步降低了蜂窝陶瓷膜的成品率(30-70％)，使得制备成本显著增加。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种大直径侧积水流道蜂窝陶瓷过滤膜的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种大直径侧积水流道蜂窝陶瓷过滤膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)配制坯体泥料，经陈腐后，获得陈腐泥料；上述坯体泥料中含有明胶粉末2-4wt％以及凝胶温度为40-100℃的羟丙基甲基纤维素3-6wt％；

(2)将陈腐泥料通过挤出机于40-100℃的温度并4-8MPa的挤出压力下挤出形成坯体，边挤出边用低温氮气在挤出机的模具口将坯体30s内迅速降温至0-5℃，挤出至设定长度后进行切断，获得高强度坯体；

(3)用开槽机在上述高强度坯体上加工出侧积水流道，并封堵两端的出水流道，获得加工后蜂窝陶瓷坯体；

(4)将上述加工后蜂窝陶瓷坯体于-52至-48℃下冷冻干燥45-50h后，进行烧结，获得大直径蜂窝陶瓷膜支撑体；

(5)在上述大直径蜂窝陶瓷膜支撑体上制备至少一层过滤膜层，即得直径为110-130mm且长度为1.1-1.3m的所述大直径侧积水流道蜂窝陶瓷过滤膜。

在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(1)中的坯体泥料还含有氧化铝微粉、氧化硅微粉、氧化镁、桐油和RO水。

进一步优选的，所述步骤(1)中的坯体泥料的配方为：氧化铝微粉73-74wt％、氧化硅微粉1.5-2.5wt％、氧化镁0.4-0.6wt％、桐油0.4-0.6wt％、明胶粉末2-4wt％、羟丙基甲基纤维素3-6wt％，余量为RO水。

更进一步优选的，所述步骤(1)中的坯体泥料的配方为：氧化铝微粉73-74wt％、氧化硅微粉2wt％、氧化镁0.5wt％、桐油0.5wt％、明胶粉末2-4wt％、羟丙基甲基纤维素3-6wt％，余量为RO水。

在本发明的一个优选实施方案中，所述氧化铝微粉的粒径大于所述氧化硅微粉的粒径。

进一步优选的，所述氧化铝微粉的粒径为45-55μm，所述氧化硅微粉的粒径为1.5-2.5μm。

更进一步优选的，所述氧化铝微粉的粒径为50μm，所述氧化硅微粉的粒径为2μm。

在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(1)中的陈腐的温度为50-55℃，时间为72-96h。

在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(2)中的挤出机的挤出速度为0.01-0.012m/s。

在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(4)中的烧结的温度为1735-1750℃，时间为2.5-3.5h。

本发明的有益效果是：

1、本发明成型压力低，对挤出设备和模具磨损小，坯体不会变形开裂，成品率高达92-96％，且可在挤出过程中加工侧积水流道，大幅度提高了蜂窝陶瓷膜的成品率和并降低了制备成本。

2、本发明中，明胶具有在加热状态下，溶解成胶体，而冷却至35-40℃以下，成为凝胶状的特性，高凝胶温度的羟丙基甲基纤维素在高温状态下不会析出，具有很好的散失保水性，可作为成型助剂，并利用挤出机加热装置对挤出过程中的泥料加热至40℃-100℃，使得泥料具有较好的流动性，在低挤出压力下成型。

3、本发明中，在挤出机挤出口，利用低温气体吹扫的方式将挤出坯体迅速降温至0-5℃，可瞬间提高湿坯强度。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。

实施例1

将氧化铝微粉(50μm，73wt％)，氧化硅微粉(2um，2wt％)，氧化镁(0.5wt％)，桐油(0.5wt％)，明胶粉末(2wt％)，羟丙基甲基纤维素(凝胶温度75℃，6wt％)，RO水(16wt％)在常温下混合均匀制成坯体泥料，置于50℃保温箱中陈腐72h，获得陈腐泥料。然后将陈腐后的泥料用挤出机挤出成型，设定挤出机加热温度为50℃，挤出压力6Mpa，挤出速度为0.01m/s。在挤出机蜂窝陶瓷膜模具口采用低温氮气将坯体在30s内迅速降温至5℃，挤出一定长度后切断，获得高强度坯体。再通过开槽机将降温后的高强度坯体加工侧积水流道，并封堵两端的出水流道，获得加工后蜂窝陶瓷坯体。将该加工后蜂窝陶瓷坯体在-50℃下冷冻干燥48h后在1750℃下高温烧结3h形成大直径蜂窝陶瓷膜支撑体。后续在此支撑体上通过浸渍或者喷涂等陶瓷过滤膜制膜工艺涂覆一层或者多层过滤膜层，最终制备成大直径侧积水流道蜂窝陶瓷膜产品。本实施例制备的直径120mm，1.2m长的产品的弯曲度小于2mm，外径偏差小于2mm，成品率94％。

实施例2

将氧化铝微粉(50μm，74wt％)，氧化硅微粉(2um，2wt％)，氧化镁(0.5wt％)，桐油(0.5wt％)，明胶粉末(4wt％)，羟丙基甲基纤维素(凝胶温度75℃，3wt％)，RO水(16wt％)在常温下混合均匀制成坯体泥料，置于55℃保温箱中陈腐96h，获得陈腐泥料。然后将陈腐后的泥料用挤出机挤出成型，设定挤出机加热温度为50℃，挤出压力7.5Mpa，挤出速度为0.012m/s。在挤出机蜂窝陶瓷膜模具口采用低温氮气将坯体在30s内迅速降温至5℃，挤出一定长度后切断，获得高强度坯体。再通过开槽机将降温后的高强度坯体加工侧积水流道，并封堵两端的出水流道，获得加工后蜂窝陶瓷坯体。将该加工后蜂窝陶瓷坯体在-50℃下冷冻干燥48h后在1735℃下高温烧结3h形成大直径蜂窝陶瓷膜支撑体。后续在此支撑体上通过浸渍或者喷涂等陶瓷过滤膜制膜工艺涂覆一层或者多层过滤膜层，最终制备成大直径侧积水流道蜂窝陶瓷膜产品。本实施例制备的直径120mm，1.2m长的产品的弯曲度小于2.2mm，外径偏差小于2mm，成品率92.5％。

实施例3

将氧化铝微粉(50μm，74wt％)，氧化硅微粉(2um，2wt％)，氧化镁(0.5wt％)，桐油(0.5wt％)，明胶粉末(3wt％)，羟丙基甲基纤维素(凝胶温度75℃，5wt％)，RO水(15wt％)在常温下混合均匀制成坯体泥料，置于55℃保温箱中陈腐96h，获得陈腐泥料。然后将陈腐后的泥料用挤出机挤出成型，设定挤出机加热温度为50℃，挤出压力4.5Mpa，挤出速度为0.011m/s。在挤出机蜂窝陶瓷膜模具口采用低温氮气将坯体在30s内迅速降温至5℃，挤出一定长度后切断，获得高强度坯体。再通过开槽机将降温后的高强度坯体加工侧积水流道，并封堵两端的出水流道，获得加工后蜂窝陶瓷坯体。将该加工后蜂窝陶瓷坯体在-50℃下冷冻干燥48h后在1750℃下高温烧结3h形成大直径蜂窝陶瓷膜支撑体。后续在此支撑体上通过浸渍或者喷涂等陶瓷过滤膜制膜工艺涂覆一层或者多层过滤膜层，最终制备成大直径侧积水流道蜂窝陶瓷膜产品。本实施例制备的直径120mm，1.2m长的产品的弯曲度小于1.8mm，外径偏差小于2mm，成品率95％。

对比例1

将氧化铝微粉(50μm，73wt％)，氧化硅微粉(2um，2wt％)，氧化镁(0.5wt％)，桐油(0.5wt％)，明胶粉末(1wt％)，羟丙基甲基纤维素(凝胶温度75℃，6wt％)，RO水(17wt％)在常温下混合均匀制成坯体泥料，置于50℃保温箱中陈腐72h，获得陈腐泥料。然后将陈腐后的泥料用挤出机挤出成型，设定挤出机加热温度为50℃，挤出压力6Mpa，挤出速度为0.008m/s。在挤出机蜂窝陶瓷膜模具口采用低温氮气将坯体在30s内迅速降温至5℃，挤出一定长度后切断，获得高强度坯体。再通过开槽机将降温后的高强度坯体加工侧积水流道，并封堵两端的出水流道，获得加工后蜂窝陶瓷坯体。将该加工后蜂窝陶瓷坯体在-50℃下冷冻干燥48h后在1750℃下高温烧结3h形成大直径蜂窝陶瓷膜支撑体。后续在此支撑体上通过浸渍或者喷涂等陶瓷过滤膜制膜工艺涂覆一层或者多层过滤膜层，最终制备成大直径侧积水流道蜂窝陶瓷膜产品。本对比例制备的直径120mm，1.2m长的产品的弯曲度小于12mm，外径偏差小于25mm，成品率45％。

对比例2

将氧化铝微粉(50μm，73wt％)，氧化硅微粉(2um，2wt％)，氧化镁(0.5wt％)，桐油(0.5wt％)，明胶粉末(2wt％)，羟丙基甲基纤维素(凝胶温度75℃，7wt％)，RO水(15wt％)在常温下混合均匀制成坯体泥料，置于50℃保温箱中陈腐72h，获得陈腐泥料。然后将陈腐后的泥料用挤出机挤出成型，设定挤出机加热温度为50℃，挤出压力6Mpa，挤出速度为0.015m/s。在挤出机蜂窝陶瓷膜模具口采用低温氮气将坯体在30s内迅速降温至5℃，挤出一定长度后切断，获得高强度坯体。再通过开槽机将降温后的高强度坯体加工侧积水流道，并封堵两端的出水流道，获得加工后蜂窝陶瓷坯体。将该加工后蜂窝陶瓷坯体在-50℃下冷冻干燥48h后在1750℃下高温烧结3h后膜管开裂，成品合格率0％。

对比例3

将氧化铝微粉(50μm，73wt％)，氧化硅微粉(2um，2wt％)，氧化镁(0.5wt％)，桐油(0.5wt％)，明胶粉末(5wt％)，羟丙基甲基纤维素(凝胶温度75℃，3wt％)，RO水(16wt％)在常温下混合均匀制成坯体泥料，置于55℃保温箱中陈腐96h，获得陈腐泥料。然后将陈腐后的泥料用挤出机挤出成型，设定挤出机加热温度为50℃，挤出压力6Mpa，挤出速度为0.013m/s。在挤出机蜂窝陶瓷膜模具口采用低温氮气将坯体在30s内迅速降温至5℃，挤出一定长度后切断，获得高强度坯体。再通过开槽机将降温后的高强度坯体加工侧积水流道，并封堵两端的出水流道，获得加工后蜂窝陶瓷坯体。将该加工后蜂窝陶瓷坯体在-50℃下冷冻干燥48h后在1735℃下高温烧结3h形成大直径蜂窝陶瓷膜支撑体。后续在此支撑体上通过浸渍或者喷涂等陶瓷过滤膜制膜工艺涂覆一层或者多层过滤膜层，最终制备成大直径侧积水流道蜂窝陶瓷膜产品。本对比例制备的直径120mm，1.2m长的产品的弯曲度小于23mm，外径偏差小于35mm，成品率12％。

对比例4

将氧化铝微粉(50μm，73wt％)，氧化硅微粉(2um，2wt％)，氧化镁(0.5wt％)，桐油(0.5wt％)，明胶粉末(4wt％)，羟丙基甲基纤维素(凝胶温度75℃，2wt％)，RO水(18wt％)在常温下混合均匀制成坯体泥料，置于55℃保温箱中陈腐96h，获得陈腐泥料。然后将陈腐后的泥料用挤出机挤出成型，设定挤出机加热温度为50℃，挤出压力6Mpa，挤出速度为0.006m/s。在挤出机蜂窝陶瓷膜模具口采用低温氮气将坯体在30s内迅速降温至5℃，挤出一定长度后切断，获得高强度坯体。再通过开槽机将降温后的高强度坯体加工侧积水流道，并封堵两端的出水流道，获得加工后蜂窝陶瓷坯体。将该加工后蜂窝陶瓷坯体在-50℃下冷冻干燥48h后在1735℃下高温烧结3h形成大直径蜂窝陶瓷膜支撑体。后续在此支撑体上通过浸渍或者喷涂等陶瓷过滤膜制膜工艺涂覆一层或者多层过滤膜层，最终制备成大直径侧积水流道蜂窝陶瓷膜产品。本对比例制备的直径120mm，1.2m长的产品的弯曲度小于13mm，外径偏差小于15mm，成品率63％。

各实施例和对比例所制得的产品的对比如下表所示：

(1)外径偏差：圆形陶瓷膜坯体受重力影响会塌陷为椭圆形，椭圆形的长径和短径的差值即为外径偏差。

(2)弯曲度：陶瓷膜坯体受重力影响在制备过程中会弯曲变形，将陶瓷膜管放置于平面上，其呈变形量最大的拱形位置与平面的距离即为陶瓷膜管的弯曲度。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (4)

1.一种大直径侧积水流道蜂窝陶瓷过滤膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）配制坯体泥料，经50-55℃陈腐后72-96h，获得陈腐泥料；该坯体泥料的配方为：氧化铝微粉73-74wt%、氧化硅微粉1.5-2.5wt%、氧化镁0.4-0.6wt%、桐油0.4-0.6wt%、明胶粉末2-4wt%、凝胶温度为40-100℃的羟丙基甲基纤维素3-6wt%，余量为RO水；氧化铝微粉的粒径为45-55μm，氧化硅微粉的粒径为1.5-2.5μm；

（2）将陈腐泥料通过挤出机于40-100℃的温度并4-8MPa的挤出压力下挤出形成坯体，边挤出边用低温氮气在挤出机的模具口将坯体30s内迅速降温至0-5℃，挤出至设定长度后进行切断，获得高强度坯体；

（3）用开槽机在上述高强度坯体上加工出侧积水流道，并封堵两端的出水流道，获得加工后蜂窝陶瓷坯体；

（4）将上述加工后蜂窝陶瓷坯体于-52至-48℃下冷冻干燥 45-50h后，进行烧结，获得大直径蜂窝陶瓷膜支撑体，烧结的温度为1735-1750℃，时间为2.5-3.5h；

（5）在上述大直径蜂窝陶瓷膜支撑体上制备至少一层过滤膜层，即得直径为110-130mm且长度为1.1-1.3m的所述大直径侧积水流道蜂窝陶瓷过滤膜。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的坯体泥料的配方为：氧化铝微粉73-74wt%、氧化硅微粉2wt%、氧化镁0.5wt%、桐油0.5wt%、明胶粉末2-4wt%、羟丙基甲基纤维素3-6wt%，余量为RO水。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述氧化铝微粉的粒径为50μm，所述氧化硅微粉的粒径为2μm。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的挤出机的挤出速度为0.01-0.012m/s。