高溫高壓無機過濾膜用多孔陶瓷載體及其製備方法
2023-08-01 02:30:26 1
專利名稱：高溫高壓無機過濾膜用多孔陶瓷載體及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種高溫高壓無機過濾膜用多孔陶瓷載體及其製備方法。
背景技術：
隨著能源問題的凸現，煤炭的綜合有效利用變得越來越重要。在煤炭的利用中，需要解決的一個關鍵問題是高溫過濾除塵技術，高溫陶瓷過濾膜被認為是解決這一問題最有效的途徑。在多孔陶瓷載體上覆蓋一層或多層膜，就形成了所謂的陶瓷過濾膜管。陶瓷膜具有耐高溫、耐腐蝕、耐衝刷、機械強度大、結構穩定不變形、壽命長等突出優點，因而是被廣泛接受，並被稱譽為熱粒子過濾材料的最佳選擇。作為一類新型綠色科技的膜材料，高溫陶瓷過濾膜管比起高聚物膜有一系列的特點熱穩定性好，化學穩定性好，強度高，結構造型穩定，可進行酸鹼或熱蒸汽清洗、高壓反衝等再生操作。然而由於無機陶瓷過濾膜質脆、彈性小、易碎，因此必須將它們附著在具有一定機械強度的基體(載體)上使用。因而作為載體就必須具有良好的孔隙率、機械強度、化學惰性、與頂膜有良好的結合性、在高溫高壓和強腐蝕環境下不易與頂膜脫裂。所以從某種程度上說，載體的選擇和製備是高溫陶瓷過濾膜研究的基礎。由於碳化矽多孔陶瓷具有膨脹係數低、抗熱震性好、高溫下良好的機械和化學穩定性等特點，其作為無機過濾膜的載體被廣泛應用在催化劑載體以及氣固分離和熔融金屬的分離過濾方面。所以碳化矽多孔陶瓷就成為高溫陶瓷過濾膜管載體的首選材料。製備無機過濾膜用多孔碳化矽陶瓷載體，國內外目前通常採用擠製成型的手段。對於尺寸較短的載體，這樣的成型方法不失為一種理想的選擇；但對於長度有一定要求的載體，這種方法就出現了局限性。首先，擠制製品在燒成過程中，由於長度的原因，經常出現斷裂的現象，導致成品率很低；其次，由於不能保證通體原料的一致性，所以即使在載體燒成沒有出現斷裂的情況下，也無法保證整體機械強度的一致性，而無法滿足較長時間使用的要求。
發明內容
本發明的目的是提供一種在高溫高壓使用環境下、具有理想的化學穩定性、強度和適宜的孔徑分布、孔隙率的無機過濾膜用多孔陶瓷載體及其製備方法。本發明所提供的多孔碳化矽陶瓷載體由主料碳化矽、輔料結合劑和造孔劑製成，其中，所述碳化矽和結合劑的質量比為80 90 10 20，所述造孔劑的體積分數為所述碳化娃、結合劑和造孔劑體積之和的35 45%。其中，所述主料碳化矽為精細粒徑分級的碳化矽，其平均粒徑可為250 300 μ m。該精細粒徑分級的碳化矽主料具體可通過下述方法製備得到將一定粒徑(250 300 μ m) SiC粉料倒入陶瓷缸體內，先經過H2SO4充分酸洗，再經過NaOH充分鹼洗，在100 20(TC完全乾燥，經嚴格篩選分級製備成所需顆粒粒徑等級的碳化矽主料。所述結合劑具體可由粘土、高嶺土及長石等物相組成，其中，粘土、高嶺土及長石的質量比依次為4 8 4 8 2 4。所述造孔劑具體可為平均粒徑為60 100 μ m、含量高於90%的下述物質活性碳、紫木節或焦炭粉。本發明的多孔碳化矽陶瓷載體的製備方法，包括下述步驟I)在碳化矽粉末中加入結合劑和造孔劑，配成混合粉體；向所述混合粉體中加入去離子水配成漿料；2)將步驟I)的漿料球磨混合後，經噴霧乾燥造粒或壓濾乾燥後過60目篩得到粉體；將粉體採用真空熱鑄成型，製成坯體；
3)將坯體進行無壓燒結，冷卻後得所述多孔碳化矽陶瓷載體。其中，步驟3)中所述燒結在空氣氣氛中進行，所述燒結的溫度為1250 1350°C，保溫時間2 4小時。步驟I)中所述混合粉體與去離子水的配比為I : I. 5 2.0。步驟2)中所述球磨的時間為12 24小時。由於本發明經過碳化矽原料的精細粒徑分級形成主料，利用特種工藝添加結合劑和造孔劑，並採用獨特的真空熱鑄成型等技術，能極大提高多孔載體的強度及孔隙率。所製備的碳化矽多孔陶瓷具有抗熱震性好、膨脹係數低、在高溫高壓下具有良好的機械和化學穩定性等優異綜合性能。在這種多孔碳化矽支撐材料上製備的無機過濾膜具有孔隙率高、硬度高、耐磨且工作過程中不發生化學變化等特點，因而從材質上降低了無機過濾膜在使用過程中出現的由於高溫磨損、硬度下降、脆性大而導致失效的機率，提高了無機過濾膜的使用壽命和使用效果。此外採用無壓燒結方法同時提高了多孔陶瓷載體的生產效率，降低了生產成本。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明的技術方案做進一步說明，但本發明並不局限於此。下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業途徑獲得。下述實施例中所用的精細粒徑分級碳化矽主料按照下述方法進行製備將一定粒徑(250 300 μ m) SiC粉料倒入陶瓷缸體內，先經過H2SO4充分酸洗，再經過NaOH充分鹼洗，在100 20(TC完全乾燥，經嚴格篩選分級製備成平均粒徑為250 300 μ m不同顆粒等級的碳化娃主料。實施例一將88克平均粒徑為280 μ m碳化矽主料，12克結合劑(粘土 5g、高嶺土 4g、長石3g)和體積分數40%的活性碳(平均粒徑90 μ m)混合，倒入200ml去離子水中進行球磨24小時，漿料在噴霧乾燥塔中造粒。按實際所需稱取相應重量的粉料，通過真空熱鑄到鋼製模具中，加壓、冷卻，製成圓筒型坯體。坯體放入爐內帶有埋粉的剛玉坩鍋中，於空氣氣氛下，在1300°C保溫4h的條件下燒成，隨爐自然冷卻，得到多孔碳化矽陶瓷載體。測試結果製備的SiC多孔陶瓷載體的孔隙率為43%，平均孔徑是55 μ m，抗壓強度達到28MPa。完全能夠保證高溫高壓使用條件下對載體的要求。其中，孔隙率參照GB/T 1966-1996標準中的測試方法；抗壓強度參照GB/T1964-1996標準中的測試方法實施例二 將80克平均粒徑為250 μ m碳化矽主料，20克結合劑(粘土 8g、高嶺土 8g、長石4g)和體積分數35%紫木節(平均粒徑100 μ m)混合,倒入180ml去離子水中進行球磨12小時，漿料在噴霧乾燥塔中造粒。按實際所需稱取相應重量的粉料，通過真空熱鑄到鋼製模具中，加壓、冷卻，製成圓筒型坯體。坯體放入爐內帶有埋粉的剛玉坩鍋中，於空氣氣氛下，在1250°C保溫3h的條件下燒成，隨爐自然冷卻，得到多孔碳化矽陶瓷載體。測試結果製備的SiC多孔陶瓷載體的孔隙率為45%，平均孔徑是57 μ m，抗壓強度達到23MPa。完全能夠保證高溫高壓使用條件下對載體的要求。實施例三將90克平均粒徑為300 μ m碳化矽主料，10克結合劑(粘土 4g、高嶺土 3g、長石3g)和體積分數42%焦炭粉(平均粒徑60 μ m)混合，倒入220ml去離子水中進行球磨16小時，漿料通過壓濾乾燥後過60目篩。按實際所需稱取相應重量的粉料，通過真空熱鑄到鋼製模具中，加壓、冷卻，製成圓筒型坯體。坯體放入爐內帶有埋粉的剛玉坩鍋中，於空氣氣氛下，在1350°C保溫2h的條件下燒成，隨爐自然冷卻，得到多孔碳化矽陶瓷載體。測試結果製備的SiC多孔陶瓷載體的孔隙率為38%，平均孔徑是46 μ m,抗壓強度達到35MPa。完全能夠保證高溫高壓使用條件下對載體的要求。實施例四將83克平均粒徑為270 μ m碳化矽主料，17克結合劑(粘土 8g、高嶺土 5g、長石4g)和體積分數43%活性碳(平均粒徑75 μ m)混合，倒入235ml去離子水中進行球磨20小時，漿料在噴霧乾燥塔中造粒。按實際所需稱取相應重量的粉料，通過真空熱鑄到鋼製模具中，加壓、冷卻，製成圓筒型坯體。坯體放入爐內帶有埋粉的剛玉坩鍋中，於空氣氣氛下，在1320°C保溫4h的條件下燒成，隨爐自然冷卻，得到多孔碳化矽陶瓷載體。測試結果製備的SiC多孔陶瓷載體的孔隙率為46%，平均孔徑是53 μ m，強度達到26. 6MPa。完全能夠保證高溫高壓使用條件下對載體的要求。
權利要求
1.一種多孔碳化矽陶瓷載體，由碳化矽、結合劑和造孔劑製成，其中，所述碳化矽和結合劑的質量比為80 90 10 20，所述造孔劑的體積分數為所述碳化矽、結合劑和造孔劑體積之和的35 45%。
2.根據權利要求I所述的多孔碳化矽陶瓷載體，其特徵在於所述碳化矽為精細粒徑分級的碳化矽，其平均粒徑為250 300 μ m。
3.根據權利要求I或2所述的多孔碳化矽陶瓷載體，其特徵在於所述結合劑由粘土、 高嶺土和長石組成；其中，粘土、高嶺土和長石的質量比依次為4 8 4 8 2 4。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的多孔碳化矽陶瓷載體，其特徵在於所述造孔劑為平均粒徑為60 100 μ m、含量高於90%的下述任意一種物質活性碳、紫木節和焦炭粉。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的多孔碳化矽陶瓷載體，其特徵在於所述多孔碳化矽陶瓷載體是按照包括下述步驟的方法製備得到的1)在所述碳化矽中加入所述結合劑和造孔劑，配成混合粉體；向所述混合粉體中加入去離子水配成漿料；2)將步驟I)的漿料球磨混合後，經噴霧乾燥造粒或壓濾乾燥後過60目篩得到粉體；將粉體採用真空熱鑄成型，製成坯體；3)將所述坯體進行無壓燒結，冷卻後得所述多孔碳化矽陶瓷載體。
6.根據權利要求5所述的多孔碳化矽陶瓷載體，其特徵在於步驟3)中所述燒結在空氣氣氛中進行，所述燒結的溫度為1250 1350°C，保溫時間2 4小時。
7.製備權利要求1-4中任一項所述的多孔碳化矽陶瓷載體的方法，包括下述步驟1)在所述碳化矽中加入所述結合劑和造孔劑，配成混合粉體；向所述混合粉體中加入去離子水配成漿料；2)將步驟I)的漿料球磨混合後，經噴霧乾燥造粒或壓濾乾燥後過60目篩得到粉體；將粉體採用真空熱鑄成型，製成坯體；3)將所述坯體進行無壓燒結，冷卻後得所述多孔碳化矽陶瓷載體。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於步驟3)中所述燒結在空氣氣氛中進行，所述燒結的溫度為1250 1350°C，保溫時間2 4小時。
全文摘要
本發明公開了一種高溫高壓無機過濾膜用多孔陶瓷載體及其製備方法。該多孔碳化矽陶瓷載體由碳化矽、結合劑和造孔劑製成，其中，碳化矽和結合劑的質量比為80～90∶10～20，造孔劑的用量為所述碳化矽、結合劑和造孔劑體積之和的35～45％。製備方法如下在碳化矽粉末中加入結合劑和造孔劑，球磨、乾燥、真空熱鑄成型；將成型後的坯體進行無壓燒結，燒結溫度為1250～1350℃，保溫時間2～4小時。由於本發明採用的原料經精細粒徑分級而形成主料，利用特種工藝添加結合劑和造孔劑，並採用獨特的真空熱鑄成型等技術，能有效提高多孔載體的機械強度及孔隙率。所製備的碳化矽多孔陶瓷載體具有抗熱震性好、熱膨脹係數低、高溫高壓下良好的機械和化學穩定性等優異性能。
文檔編號C04B35/565GK102617179SQ201210103839
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月10日 優先權日2012年4月10日
發明者徐國民, 徐國良, 梁龍, 汪長安, 衷待群, 黃勇 申請人:清華大學