注凝成型制备非对称氧化铝陶瓷超滤膜及其应用研究

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中国作为Al2O3生产大国,使得Al2O3原料廉价易得而被广泛使用于各个领域中。Al2O3本身的耐温、耐腐蚀、高强度、高硬度的特点也使其应用于制备陶瓷过滤膜材料引起广泛关注。但对于纯的Al2O3需要在1700℃以上才能烧结制得性能优良的陶瓷过滤膜材料,这使得制备成本太高而不利于工业化利用。目前,对Al2O3的低温烧结成为研究热点,但低温烧结导致强度降低的问题尚未得到很好的解决。因此,需要研究低温烧结制备陶瓷膜的工艺来降低制备成本的同时,得到高性能的陶瓷膜材料。限制陶瓷膜规模化使用的另一重大因素是对陶瓷膜过滤精度的控制问题,陶瓷膜通常以大孔径的支撑体为载体,以颗粒粒径逐级减小的粉体分别作为过渡层和分离层骨料来提高陶瓷膜的过滤性能。因此对陶瓷膜过渡层和分离层工艺的研究对提高陶瓷膜的分离性能具有重要意义。本文以Al2O3粉体为骨料,加入溶剂、粘结剂、造孔剂、烧结助剂混合均匀后,脱除浆料中的水分,造粒后采用干压成型工艺制备出陶瓷膜支撑体生坯,再进行烧结制得具有较大的孔隙率及通量,较高的机械强度,表面平整光滑,适合作为过渡层和分离层膜制备的陶瓷膜载体。研究发现本研究中最佳的多元烧结助剂组合为MgO+TiO2+MnO2+CuO,其用量分别为0.5%、2%、1.5%、1.5%。使得烧结温度降低为1450℃、保温时间缩短为1h,所制得的氧化铝陶瓷膜支撑体直径3.6cm,厚度为4mm,平均孔径为0.5μm,孔隙率为47.11%;最大操作压力0.6MPa,抗压强度45.9MPa,纯水通量在8521L·m-2·h-1·bar-1。以中位径为3.321μm的Al2O3粉体(固相体积分数为45%)为原料,以超声预聚合工艺制备的粘度为3000mPa·S的PMMA预聚液为预混液,0.3%的PEG2000为分散剂,0.5%的TiO2和6%的MgO为烧结助剂,制备出均匀的过渡层浆料,通过注凝成型工艺,在孔径为0.5μm的自制的氧化铝陶瓷膜支撑体表面涂覆,固化烧结后,制备出了平均孔径为280nm的过渡层。研究中还发现,超声波对MMA进行预聚合反应起到了加速作用,且制备的PMMA预聚液不易发生爆聚现象。同时还发现,微波对MMA进行预聚合反应剧烈,这是由微波的“致热效应”引起的。随后以沉淀法制备的抗硬团聚的中位径为3.76nm的氧化铝为原料,粘度为3000mPa·S的PMMA预聚液为预混液,在过渡层表面涂覆了分离层浆料,再通过烧结,制备出了平均孔径为70nm的非对称结构的陶瓷超滤膜。其对东华大学镜月湖湖水浊度的去除率大于99%,TOC及UV254的去除率分别达到了77.30%、64.75%。
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