《天然矿物基质陶瓷膜制备科学研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《天然矿物基质陶瓷膜制备科学研究（170页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、详细摘要陶瓷分离膜是近一、二十年来迅速发展起来的一种新型分离介质材料，鉴于其商分离效率、低能耗、对环境友好，加之耐高温、抗酸碱腐蚀、孔径分布窄和结构稳定等特点，在食品饮料，医药卫生，化工冶金，生物技术、新型能源和环境污染处理等方面获得愈来愈广泛的应用。但商品化的多孔陶瓷膜主要是取材氧化铝、氧化锆和氧化钛等，原料价格昂贵，烧结温度高，使得产品的造价居高不下，严重地限制了其应用推广，尤其是在环境污染处理等领域。另一方面，迄今的陶瓷分离膜，一般仅具有分离功能，尚不能满足人类生产和生活方面的多种需求。天然非金属矿物质材料的储量丰富，价格低廉，它们组成与结构繁多，往往具有许多独特的物理化学特性，包括吸附
2、、净化、除毒、抗菌、催化、药用等等功能，在维持自然界生态环境和谐共存中发挥了重要作用。它们从来就是陶瓷的取之不尽的传统原料，但是却很少被用于陶瓷膜的制备。本论文主要是以发展多功能、多用途和低成本的新型陶瓷膜为研究目标，以其诸多潜在应用为背景，从多种天然非金属矿物原料出发，研制了一系列管状多孔陶瓷膜；鉴于天然矿物的组成、缩构的复杂性，矿物基质陶瓷膜的制备为材科科学与工程学提供了新的研究课题，论文侧重于陶瓷膜及其微结构的形成进行材料制备科学研究，并进行了较全面的表征，此外还对多i L 陶瓷的附加功能进行了初步评价。取得的工作进展和成果，分述如下：l 。从天然沸石出发研划了成本低、过滤性能良好同时还
3、具有重金属离子交换功能的管状多孔陶瓷膜天然沸石是沸石族矿物的总称，呈架状结构，是一种含水的碱或碱土金属硅酸盐矿物。在结构上它们是由三维的s i 0 4 4 四面体格架所组成。沸石的结构决定了它具备离子交换性和吸附选择性等等独特的物化性能。我们以天然沸石为原料，研制了管状多孑L 陶瓷膜管，并以此为载体研制了相同材料的非对称过滤膜。本工作详细研究了陶瓷膜的烧成过程，发现烧结温度高于1 0 5 0 时，体系中有S i 0 玻璃生成，液相烧结起到主导的作用，陶瓷颗粒明显长大变圆，相应的孔径就急剧变大，从而导致多孔陶瓷的宏观性能，包括流体通量、力学强度、离子交换和耐蚀性，都相应发生改变。在优化的实验条件
4、下( 1 1 0 0 l h ) ，支撑体的平均孔径为6 t 6 脚，孔隙率4 6 ，中间层的平均直径为O 6 0 岬，顶层膜H J的孔径可望降至0 0 5 啪。支撑体的氮气通量为2 4 8lm j m _ 2 h l b a r ，纯水通量为2 6 6m 3 m 2 K 1 b 矿1 。天然沸石多i L 陶瓷在1 3 0 0 烧结时的弯曲强度为3 0 M p a ，已经能够满足陶瓷膜的馊用要求。陶瓷膜对水溶液中铅离子的吸附交换能力随材料制备温度而变。在9 0 0 烧结的材料，具有良好的铅离子的吸附能力，达到7 1 3 m g 。用管状陶瓷膜吸附除去水中的重余属离子，可以连续操作，膜管可再生利
5、用。因此，可望对含有重金属离子的污水处理提供条有效的技术途径，有待于做进一步的细致工作。2 廉价的硅藻土为原料，制备出硅藻土多孔陶瓷膜管硅藻士是一种生物成因的硅质沉积岩，主要由古代硅藻遗体组成，矿物成分主要是蛋白石及其变种，其化学成分主要是S i 0 2 ，具有孔隙率高、吸水性强和渗透性强等特性。其粉状材料已广泛用于啤酒、饮料、炼油、涂料、肥料、药品等液体过滤的助滤剂。我们尝试研制管状陶瓷分离膜。传统的管状陶瓷膜的都是以挤出法成型，在成型过程中势必会引入一些对人体有害的有机添加剂。我们利用硅藻本身特有的易于成浆的特性，在不加任何添加剂的情况下，采用注浆成型法研制了的管状硅藻陶瓷膜。在优化的实验
6、条件下( 1 1 5 0 2 h ) ，样品的孔隙率可达5 3 ，平均孔径4 0 l “m ，氮气流量为1 2 7 7 m 3 珀L - 2 h 。1 b a r 。材料的耐酸性良好，耐碱性稍差，但却可以利用这一特性对硅藻土多孔陶瓷膜管进行碱性预处理，可以将样品的氮气通量增至1 1 8 9 【n 3 m 2 h _ 1 b a f l 。3 以热电厂废弃物一粉煤灰为原料，成功制各出具有良好过滤性能、机械性能和抗熟震性能，特别在高温除尘方面有着广泛应用前景的堇青石和董青石多孔陶瓷膜管粉煤灰是发电厂粉煤在高温下燃烧得到的产物，它是一种离度分散的微细颗粒集合体，主要由氧化硅玻璃球组成，直径只有1 5
7、 0 微米左右，烧结活性高。我* j 以粉煤灰为主要原料，在高于1 1 5 0 温度下合成q 一薹青石。优化的条件下( 1 3 0 02 h ) ，材料的弯f l 强度高达6 5 M p a ，虽然本身是多孔材料，但是其强度仅略低于工程陶瓷的致密化堇青石的强度标准( 7 0 M p a ) ，远远高于作为工程陶瓷的低密度堇青石的强度( 1 3 M P a ) ，热膨胀系数仅为4 2 I x l O 6 ，材料可以承受超过4 0 次的热震试验( 1 2 0 0 2 8 ) ，可以满足苛刻的商温环境F 的应用。通过加入淀粉造孔剂获得的优化陶瓷膜支撑体，平均孔径为2 3 5 岍，孔隙率4 1 7 4
8、 ，氮气通量为2 2 4 8 l m 3 m 也h 。b a r ，这大大超过了平均孔径和孔隙率基本相近的A 1 2 0 3 多孔陶瓷的氮气通量( 8 8 0 0m 3 m 。h “b a r 1 ) 。这些结果表明，本工作研制的低成本、高性能( 仍有继续优化的余地! ) 堇青石陶瓷膜是诸如高温除尘、收尘和气体净化过滤器等应用的极佳滤材。4 探索出一种新颖的凹凸捧石粘土提纯工艺，研制了多通道的凹凸棒石多孔陶瓷管。凹凸棒石是一种层链状结构的含水富镁铝硅酸盐粘土矿物。其理想分子式为：( M g ，A 1 ，F e ) 5 S i s 0 2 0 ( H O ) 2 ( O H 2 ) 4 4 H
9、2 0 ，晶体形状为针棒状，纤维长约O 5一l 嘲，长径比约为2 0 ：l 。由于凹凸棒石粘二l 二具有特殊的纤维结构、不同寻常的胶体和吸附性等物理化学性质，在石化、建材、造纸、医药、农业等方面都得到广泛的应用。我国凹凸棒石的储量丰富，但是品味普遍偏低，大多只能用于建树工业或者是农业，产品的附加值不高，在诸如医药，化妆品，吸附荆和填料等等的场合中，低品位的凹凸棒石粘远不能满足行业要求。我们通过尝试不同的表面活性剂和反絮凝剂，对凹凸棒粘土浆料进行了有效提纯，为提高凹凸棒石粘土的品位和以此为基础的迸一步的深加工奠定了基础。另外，以凹凸棒石粘土为原料，制备了七通道的陶瓷膜管。发现在5 5 0 6 0
10、 0 温度下烧结，可以在不损坏凹凸棒石原有结构的情况下获得一定的强度。添加适当造孔剂样品的氮气通量达1 4 9 m 3 m 之h - 1 b a f l ，在通量要求不高的情况下，把凹凸棒石本身具有的物化性能和陶瓷膜的优越性结合起来，有望开发出具有特殊功能的陶瓷分离膜。5 本论文借助先进的技术手段( 阶梯等温热膨胀技术) ，开创性地将本实验室发展的M a I 【i p i r t t i M 啪g 速率方程用于天然非金属矿物原料的多孔陶瓷的烧结动力学研究，取得了满意的效果。陶瓷工艺中最主要的过程是烧结，烧结工艺是陶瓷制品结构性能的决定性因素。迄今为止有限的有关陶瓷烧结动力学的研究还仅仅局限于人
11、工原料。虽然利用天然粘的烧结来制各陶瓷是最为吉老的陶瓷工艺，但是，对予以天然非金属矿物为原料的多孔陶瓷膜的研制是项新工作，此类陶瓷烧结机理的研究极为少见。到。V我们借助先进阶梯等温热膨胀技术，将本实验室盂广耀教授在研究z r O 。陶一yvl 瓷烧结时提出的M a k i p i m i M e n g 速率方程：等= 疵( 7 ) y ( 1 一y ) ( 南) n 用于多 “lI j种天然非金属矿物原料的多孔陶瓷膜的烧结动力学研究，取得了满意的效果。对于硅藻土多孔陶瓷来说，在阶梯等温烧结过程中，时间因子”的值在1 0 5 0之前远小于1 ，说明烧结体中的微结构的形貌是非常复杂的，同时也说明
12、烧结机理的复杂性，此时，除了单纯的烧结以外，还伴随有非晶态s i 0 2 向晶态s j 0 2转变的相变过程。而当温度升至ll o o 和11 5 0 时，“ 的值相对接近于1 ，这就说明烧结体的微结构趋于简单，烧结过程仅限于单纯的物质传输和体积收缩。这两段的表观烧结活化能分别为6 l O Sk J m o l 和9 l1 8k J m o l 。对于粉煤灰原料的堇青石来说，整个阶梯等温烧结过程可以分成三个阶段( 8 0 0 一8 5 0 、9 0 0 一1 0 0 0 和1 0 5 0 1 1 5 0 ) ，每一个阶段的表观烧结活化能一E 的值分别为：1 8 0 9 6 ，1 2 9 4 6
13、 4 和1 7 7 8 1 2 1 k J m o l 。三个阶段之间的过渡则对应于混合物向“堇青石相转变和“堇青石向a 堇青石的相转变这两个过程。对于天然沸石多孔陶瓷来说，从9 5 0 到1 1 5 0 ，疗的值逐步地升高，这说明随着温度的升高材料的微结构逐渐变得简单，表观烧结活化能d E 的值为：1 0 1 6 k J m o l 。结合M a k i p i m i M e n g 速率方程在其他体系中的应用，可以看出，体系的组分越复杂，烧结过程越复杂，烧结的活化能的值就越高，进一步证明了M a k i p i n l i M e n g 速率方程在解决陶瓷烧结动力学方面的合理性和适用性
14、。上述研究深化了对于陶瓷烧结机理的认识，不仅对于本体系的研究有着指导意义，同时也对陶瓷工程科学的丰富作出了贡献。V IA B S T R A C TC e r 锄i cm e m b r a n ei san e ws e p a r a t i n gm e d i a t o rd e v e l o p e ds i n c eaf b wd e c a d e s I t sh i 曲s e p a r a t i n ge 瓶c i e n c y l o wd y n 踟i c ，a m 时t oe n v i r o n m e n t ，e s p e c j a l l yi
15、 t sr e s i s t a n c et oM 曲t e m p e r a t u r ea n dc o r r o s i o n ，百V ei tm a n ya p p l i c a t i o n si nf o 。d b e v e r a g e ，m e d i c i n e s a n 娃a t i o n ，c h e m i c a 王i n 血蚓：r y& m e t a 王l u r g y ，b i o l o g i c a lt e c l l l l o l o g y ，n e we n e r g ya n de n v i r o 蛳e n
16、 tp r o t e c t i o n 。H o w e V e r ，m o s tc e i cm e m b m n ei sp r 印a r e df r o me x p a I l s i v es t a n i n gm a t e r i a l ss u c ha sA 1 2 0 3 ，Z r 0 4 ，T i 0 2 ，豇1 ds 0o 坞s 。c o n d ，亡h es j n 矧n g 把m p e r a m f co f 出e mi s 代m g 矗，b o mo fw H c ht o g e t h e rmt h e i rs i m p l em i c m s t r u c t u r ea n d c t i o nl i I I l i tt h ed e v e l o p m e m so fc e r 啪i cm e m b r a n e
