多孔石英质陶瓷膜支撑体的制备与性能研究

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随着工业发展和科技进步,环境与资源是人类面临的两大难题,对节约资源和保护环境提出了更高要求。膜分离是一项新型的高效分离技术,所以高分离过滤效率的膜分离技术愈来愈引起人们的重视。本文通过分析无机陶瓷膜的结构,探索多孔陶瓷支撑体对膜分离性能的影响。目前过滤应用较多的多孔陶瓷材料主要是以碳化硅、莫来石、堇青石等为主相的材料,但这些材料大多价格昂贵,致使所研制的陶瓷过滤器成本高,难以大规模推广‘使用。海南省石英砂资源非常丰富,在海南地区选用资源广泛、成本低廉的石英砂为骨料,制备一种环保型多孔陶瓷膜支撑体具有非常好的地理优势,而且研究以石英砂为原料制备多孔孔陶瓷材料对开发海南优势资源具有一定的指导意义。本文以石英砂为主要原料,以碳酸钙和木炭粉为造孔剂、膨润土为粘结剂、钾长石及高岭土为烧结助剂,采用模压成型法制备石英质多孔陶瓷支撑体。采用TG/DSC、XRD、SEM对样品进行晶相分析及微观形貌观察,主要探讨了前处理、烧结工艺及添加剂对多孔陶瓷支撑体性能的影响。实验从石英砂预处理、原料粒径及干燥升温速率三个方面论述了前处理对多孔陶瓷支撑体性能的影响。实验结果表明:以煅烧石英砂为原料制备多孔陶瓷性能更好,最佳原料粒径是120gm,最佳干燥升温速率为5°C/min,其性能为:素坯抗压强度10.669 MPa,孔隙率40.43%,断裂强度25.007 MPa。实验研究烧结工艺对多孔陶瓷支撑体性能影响主要从烧结温度、保温时间及烧结升温速率三个方面。研究结果显示:烧结温度为1250℃,保温时间为30 min,烧结升温速率为5℃/min为最佳烧结工艺。在此烧结条件下,多孔陶瓷的孔隙率为29.33%、断裂强度为17.051 MPa,多孔陶瓷的孔隙较发达、孔的形状较一致且分布较均匀,平均孔径大约为12.41μm。XRD图谱显示试样的主晶相是石英(Quartz, SiO2)、莫来石(Mullite,3Al2O3·SiO2)、方石英(Cristobalite, SiO2)、钙长石(Anorthite, CaO·Al2O3·2SiO2)。实验从造孔剂(造孔剂种类和数量)、粘结剂及烧结助剂三个方面研究了添加剂对多孔陶瓷支撑体性能影响。实验结果如下:加入不同造孔剂试样的孔隙率大小:磷酸>十二烷基苯磺酸钠>木炭>石墨>淀粉;断裂强度的大小为:十二烷基苯磺酸钠>淀粉>石墨>木炭>磷酸。从成本、制备过程等方面考虑,以木炭为造孔剂,木炭最佳含量为10%,木炭最佳粒径为120μm。粘结剂膨润土的最佳含量为4%,钾长石、高岭土含量均为10%时为最佳含量。
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