一種氣固分離陶瓷材料及其製備方法
2023-04-26 01:25:16
一種氣固分離陶瓷材料及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種氣固分離陶瓷材料及其製備方法，該陶瓷材料平均密度低，氣孔率高，耐高溫和耐酸鹼性能好，且成型簡單，使用時過濾阻力低，過濾效率高，可以進行脈衝反吹，再生性好，脈衝反吹後阻力增幅較小，綜合性能優越。
【專利說明】一種氣固分離陶瓷材料及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於陶瓷過濾材料領域，具體涉及一種氣固分離陶瓷材料及其製備方法。【背景技術】
[0002]隨著國家十二五戰略的實施，各行業都加大了對環境的保護力度，強化了對工業汙染物的減排和治理。特別是2012年新修訂的《環境空氣品質標準》增加了細顆粒物監測指標，使得社會各界加大了對大氣汙染物的關注。而在我國的化工、石油、冶金、電力、水泥及其他行業中，各種工業窯爐所產生的高溫含塵氣體不但溫度高，而且含有大量的粉塵和酸鹼性有害氣體，是造成空氣環境汙染的主要因素之一。目前國內市場上使用的氣固分離裝置有兩大類，一類以傳統的布袋式過濾裝置為主，但是布袋式過濾裝置耐溫較低，對於300°C以上的煙氣無法直接分離，往往需要摻入冷空氣降溫處理後再過濾。這樣不僅要消耗掉大量的動力，還面臨著嚴重的煙塵露 點腐蝕問題，同時造成了不必要的熱量浪費。另一類以市場上已有的多孔陶瓷過濾元件為主，此類材料有耐高溫耐酸鹼性氣體的優點，但是它們的過濾阻力較大(多數產品大於lOOOPa)、氣孔率低(〈45%)，單位質量高且再生性能差，使得經濟成本偏高。
【發明內容】
[0003]針對市場上現有產品的不足，本發明的目的在於提供一種氣固分離陶瓷材料及其製備方法。該陶瓷材料平均密度低，氣孔率高，耐高溫和耐酸鹼性能好，且成型簡單，能在高溫環境下直接、高效地進行氣固分離，使用時過濾阻力低，過濾效率高，可以進行脈衝反吹，再生性好，脈衝反吹後阻力增幅較小，綜合性能優越。
[0004]一種氣固分離陶瓷材料的製備方法，包括以下步驟:
[0005](I)原料的製備
[0006]將纖維分散劑溶於水中形成質量濃度為0.5-1.5g/L的水溶液；
[0007]將9_21wt% 高嶺土、0.5-4.5wt%Ca0、0.5-4.5wt%Mg0和 70_90wt% 陶瓷纖維混合後，按照固液重量比1:50-1:150的比例加入到纖維分散劑水溶液中，攪拌均勻得到漿料；其中，高嶺土、CaO、MgO和陶瓷纖維的質量百分比是以四者的總量為基準；
[0008](2)樣品成型和燒成
[0009]將混合得到的漿料緩緩注入內壁鋪有不鏽鋼濾網的圓柱狀多孔金屬模具中，通過真空泵抽真空使漿料中的固體成分在不鏽鋼濾網內側表面上附著，同時在抽真空過程中使圓柱狀多孔金屬模具以中心軸為旋轉軸進行旋轉，通過真空吸附和離心附著的共同作用使樣品均勻成型；製得的成型樣品經脫模、燒成後得到成品。
[0010]上述氣固分離陶瓷材料的製備方法中，所述的纖維分散劑可以是水溶性高分子改性纖維素或水溶性合成高分子，例如羧甲基纖維素、聚丙烯醯胺、聚氧化乙烯等。
[0011]所述的高嶺土、CaO和MgO均是經過300目篩的粉料。
[0012]所述的陶瓷纖維為矽酸鋁纖維和多晶莫來石纖維中的一種或兩種的混合物，優選地，這些陶瓷纖維在配料混合之前，首先經過水洗法除渣，再進行短切均勻化處理，處理後的纖維尺寸長徑比優選為1:15-40。
[0013]所述的圓柱狀多孔金屬模具由內模和外模兩個部件構成，外模為一端開口、一端封閉且開有一連接孔的圓柱狀金屬容器；內模為一端開口、一端封閉、壁上均勻分布有直徑為1mm圓孔的圓柱狀多孔金屬模具。具體構造可參見附圖1。
[0014]所述的樣品成型步驟具體可以是如下操作:先將圓柱狀多孔金屬模具外模上的連接孔與儲液罐及真空泵相連，並將內模置於外模中，開口端通過法蘭邊密封；將100目的不鏽鋼濾網鋪於多孔金屬內模的內壁，然後將混合得到的漿料緩緩注入圓柱狀多孔金屬內模中；開啟真空泵，同時使圓柱狀多孔金屬模具以中心軸為旋轉軸進行旋轉；漿料中的固體成份通過真空吸附及離心附著的作用在不鏽鋼濾網內側表面上均勻成型。
[0015]所述的旋轉離心成型方法，是將圓柱狀多孔金屬模具整體以圓柱狀模具的中心軸為旋轉軸進行旋轉，轉速優選40-80r/min ； [0016]所述的脫模包括脫去多孔金屬模具和分離樣品表面的不鏽鋼濾網兩個步驟，具體可以是:先從金屬外模中取出帶有樣品的多孔金屬內模並進行乾燥處理；然後，從多孔金屬內模中取出帶有不鏽鋼濾網的氣固分離材料樣品；最後取下樣品表面的不鏽鋼濾網，得到完整的氣固分離陶瓷材料樣品。
[0017]所述的乾燥工藝為:帶有樣品的內模在烘箱或烘乾窯內乾燥，溫度優選60-80°C，時間優選10-12小時。
[0018]所述的燒成步驟優選在1300_1350°C焙燒11_13小時，可以在常規的高溫爐如電爐中進行。
[0019]通過上述製備方法，可以得到本發明所述的氣固分離陶瓷材料。
[0020]本發明的氣固分離陶瓷材料，氣孔率在65-85%之間，表觀密度在0.55-0.75g/cm3,抗折強度為3.0-16.0MPa，過濾阻力在90_300Pa範圍內，脈衝100次反吹阻力增幅範圍在10-40Pa之間。對於煙氣中粒徑大於等於2.5 μ m顆粒的過濾效率高達100%，對於測試環境中粒徑大於等於0.3 μ m顆粒的過濾效率在94%-99%。
[0021]本發明的有益效果在於:本發明的的氣固分離陶瓷材料可直接進行氣固分離並長期使用，最高使用溫度可達1250°C。該陶瓷材料過濾阻力和平均密度低，過濾效率和氣孔率高，且可以進行脈衝反吹，脈衝反吹後阻力增幅較小，再生性好，綜合性能優異，能節省生產成本，經濟效益高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明製備方法中使用的圓柱狀多孔金屬模具的結構示意圖。
[0023]圖2是實施例1氣固分離陶瓷材料的SEM圖(放大倍數300倍)。
[0024]圖3是實施例4氣固分離陶瓷材料的SEM圖(放大倍數2000倍)。
【具體實施方式】
[0025]實施例1
[0026](I)原料的製備
[0027]將聚丙烯醯胺5g加入到5L水中，配成質量濃度為lg/L的纖維分散劑水溶液；[0028]將高嶺土 21g、氧化鈣4.5g、氧化鎂4.5g和矽酸鋁纖維70g，按固液重量比1:50混合後加入到上述纖維分散劑水溶液中，混合併攪拌均勻得到漿料；
[0029](2)樣品成型和燒成
[0030]將圓柱狀多孔金屬外模(內徑=127mm)上的連接孔與儲液罐和真空泵相連，內模(內徑=71mm,壁厚=2mm,高度=700mm)置於外模中，兩者的開口端通過法蘭邊密封，同時將100目的不鏽鋼濾網鋪於多孔金屬內模的內壁，然後將混合得到的漿料緩緩注入多孔金屬內模中；開啟真空泵，同時使圓柱狀多孔金屬模具整體以中心軸為旋轉軸進行旋轉，轉速為60r/min;漿料中的固體成份通過真空吸附及離心附著的作用在不鏽鋼濾網內側表面上均勻成型製得樣品。製得的樣品在80°C烘箱內乾燥10小時，脫模後在1300°C電爐內燒成13h製得成品。
[0031]製得成品的技術性能為:
[0032]氣固分離陶瓷材料過濾效率採用高精度PM2.5速測儀測試，實驗方法是將成品固定在過濾效率測試裝置上，該測試裝置為具有三個開口孔的密閉容器，其中，一個開口孔連接高精度PM2.5速測儀，一個開口孔連接真空泵，一個開口孔裝置樣品，密閉容器內部形成了過濾效率測試室。測試前將成品安裝在過濾效率測試裝置的一個開口孔上，用矽橡膠進行密封。測試步驟是:首先，測試過濾效率測試室中粒徑大於或等於2.5μπι和0.3μπι的粒子計數濃度(即環境中粒徑大於或等於2.5 μ m和0.3 μ m的粒子計數濃度);然後，開啟真空泵，使過濾效率測試室內形成負壓，保持90秒，使帶有粉塵的環境空氣通過成品進入測試室；最後，關閉真空泵，測試過濾效率測試室中粒徑大於或等於2.5 μ m和0.3 μ m的粒子計數濃度。過濾前測試環境中粒徑大於或等於2.5 μ m的粒子計數濃度為546個/L，過濾後測試環境中粒徑大於或等於2.5 μ m的粒子計數濃度為O個/L，據此，氣固分離陶瓷材料對於粒徑大於或等於2.5 μ m顆粒的過濾效率達100%。對於測試環境中粒徑大於或等於0.3 μ m的粒子，過濾前計數濃度 為189725個/L，過濾後計數濃度為4216個/L，因此，氣固分離陶瓷材料對於粒徑大於或等於0.3 μ m顆粒的過濾效率達97.78%。
[0033]抗折強度根據國家標準GB/T6569-86測試，氣固分離陶瓷材料測試尺寸為3mmX4mmX35mm,採用三點彎曲法測量，跨距為30mm,加載速率為0.5mm/min,測得抗折強度為 15.7MPa ；
[0034]過濾阻力和阻力增幅根據國家標準GB/T6165-2008測試，氣固分離陶瓷材料的過濾阻力為227.45Pa，脈衝100次反吹後阻力增加32.08Pa ；
[0035]氣孔率採用阿基米德排水法測定，使用去離子水作為浸泡介質，經測試氣固分離陶瓷材料氣孔率為68.73% ；
[0036]利用天平稱得氣固分離陶瓷材料質量，再用遊標卡尺測量長條狀氣固分離陶瓷材料的尺寸，計算出材料的平均表觀密度0.706g/cm3。
[0037]實施例2
[0038](1)原料的製備
[0039]將聚丙烯醯胺15g加入到15L水中，配成質量體積濃度為lg/L的纖維分散劑水溶液；
[0040]將高嶺土 23g、氧化鈣0.5g、氧化鎂2.5g和矽酸鋁纖維77g，按固液重量比1:150混合後加入到上述纖維分散劑水溶液中，混合併攪拌均勻得到漿料；[0041](2)樣品成型和燒成
[0042]將圓柱狀多孔金屬外模上的連接孔與儲液罐和真空泵相連，內模置於外模中，兩者的開口端通過法蘭邊密封，同時將100目的不鏽鋼濾網鋪於多孔金屬內模的內壁，然後將混合得到的漿料緩緩注入多孔金屬內模中；開啟真空泵，同時使圓柱狀多孔金屬模具整體以中心軸為旋轉軸進行旋轉，轉速為40r/min，漿料中的固體成份通過真空吸附及離心附著的作用在不鏽鋼濾網內側表面上均勻成型製得樣品。製得的樣品在60°C烘箱內乾燥12小時，脫模後在1350°C電爐內燒成Ilh製得成品。
[0043]製得成品的技術性能為:
[0044]氣固分離陶瓷材料過濾效率採用高精度PM2.5速測儀測試(測試方法同實施例1)。過濾前測試環境中粒徑大於或等於2.5μπι的粒子計數濃度為1051個/L，過濾後測試環境中粒徑大於或等於2.5 μ m的粒子計數濃度為O個/L。所以氣固分離陶瓷材料對於粒徑大於或等於2.5 μ m顆粒的過濾效率達100%。對於測試環境中粒徑大於或等於0.3 μ m的粒子，過濾前計數濃度為256709個/L，過濾後計數濃度為15231個/L，所以氣固分離陶瓷材料對於粒徑大於或等於0.3 μ m顆粒的過濾效率達94.07%。
[0045]抗折強度根據國家標準GB/T6569-86測試，氣固分離陶瓷材料測試尺寸為3mmX4mmX 35mm,採用三點彎曲法測量，跨距為30mm,加載速率為0.5mm/min ;測得抗折強度 3.8MPa ；
[0046]過濾阻力和阻力增幅根據國家標準GB/T6165-2008測試，氣固分離陶瓷材料的過濾阻力94.78Pa，脈衝100次反吹後阻力增加13.68Pa ；
[0047]氣孔率採用阿基米德排水法測定，使用去離子水作為浸泡介質，經測試氣固分離陶瓷材料氣孔率為81.71% ；
[0048]利用天平稱得氣固分離陶瓷材`料質量，再用遊標卡尺測量長條狀氣固分離陶瓷材料的尺寸，計算出材料的平均表觀密度0.589g/cm3。
[0049]實施例3
[0050](I)原料的製備
[0051]將聚丙烯醯胺15g加入到IOL水中，配成質量體積濃度為1.5g/L的纖維分散劑水溶液；
[0052]將高嶺土 12g、氧化鈣4g、氧化鎂4g和矽酸鋁纖維80g，按固液重量比1:100混合後加入到上述纖維分散劑水溶液中，混合併攪拌均勻得到漿料；
[0053](2)樣品成型和燒成
[0054]將圓柱狀多孔金屬外模上的連接孔與儲液罐和真空泵相連，內模置於外模中，兩者的開口端通過法蘭邊密封，同時將100目的不鏽鋼濾網鋪於多孔金屬內模的內壁，然後將混合得到的漿料緩緩注入多孔金屬內模中；開啟真空泵，同時使圓柱狀多孔金屬模具整體以中心軸為旋轉軸進行旋轉，轉速為80r/min ;眾料中的固體成份通過真空吸附及離心附著的作用在不鏽鋼濾網內側表面上均勻成型製得樣品。製得的樣品在70°C烘箱內乾燥11小時，脫模後在1320°C電爐內燒成12h製得成品。
[0055]製得成品的技術性能為:
[0056]氣固分離陶瓷材料過濾效率採用高精度PM2.5速測儀測試(測試方法同實施例1)。過濾前測試環境中粒徑大於或等於2.5μπι的粒子計數濃度為1206個/L，過濾後測試環境中粒徑大於或等於2.5 μ m的粒子計數濃度為O個/L。所以氣固分離陶瓷材料對於粒徑大於或等於2.5 μ m顆粒的過濾效率達100%。對於測試環境中粒徑大於或等於0.3 μ m的粒子，過濾前計數濃度為203356個/L，過濾後計數濃度為2254個/L，因此，氣固分離陶瓷材料對於粒徑大於或等於0.3 μ m顆粒的過濾效率達98.89%。
[0057]抗折強度根據國家標準GB/T6569-86測試，氣固分離陶瓷材料測試尺寸為3mmX4mmX 35mm,採用三點彎曲法測量，跨距為30mm,加載速率為0.5mm/min ;測得材料抗折強度13.8MPa ；
[0058]過濾阻力和阻力增幅根據國家標準GB/T6165-2008測試，氣固分離陶瓷材料的過濾阻力250.87Pa，脈衝100次反吹後阻力增加39.45Pa ；
[0059]氣孔率採用阿基米德排水法測定，使用去離子水作為浸泡介質，經測試氣固分離陶瓷材料氣孔率為68.71% ；
[0060]利用天平稱得氣固分離陶瓷材料質量，再用遊標卡尺量出長條狀氣固分離陶瓷材料的尺寸，計算出材料的平均表觀密度0.711g/cm3。
[0061]實施例4
[0062](I)原料的製備
[0063]將聚丙烯醯胺5g加入到IOL水中，配成質量體積濃度為0.5g/L的纖維分散劑水溶液；
[0064]將高嶺土 10g、氧化鈣2.5g、氧化鎂2.5g和矽酸鋁纖維85g，按固液重量比1:100混合後加入到上述纖維分散劑水溶液中，混合併攪拌均勻得到漿料；
[0065](2)樣品成型和燒成
[0066]將圓柱狀多孔金屬外模上的連接孔與儲液罐和真空泵相連，內模置於外模中，兩者的開口端通過法蘭邊密封，同時將100目的不鏽鋼濾網鋪於多孔金屬內模的內壁，然後將混合得到的漿料緩緩注入多孔金屬內模中；開啟真空泵，同時使圓柱狀多孔金屬模具整體以中心軸為旋轉軸進行旋轉，轉速為60r/min ;眾料中的固體成份通過真空吸附及離心附著的作用在不鏽鋼濾網內側表面上均勻成型製得樣品。製得的樣品在70°C烘箱內乾燥11小時，脫模後在1300°C電爐內燒成12h製得成品。
[0067]製得成品的技術性能為:
[0068]氣固分離陶瓷材料過濾效率採用高精度PM2.5速測儀測試(測試方法同實施例1)。過濾前測試環境中粒徑大於或等於2.5 μ m的粒子計數濃度為809個/L，過濾後測試環境中粒徑大於或等於2.5 μ m的粒子計數濃度為O個/L。所以氣固分離陶瓷材料對於粒徑大於或等於2.5 μ m顆粒的過濾效率達100%。對於測試環境中粒徑大於或等於0.3 μ m的粒子，過濾前計數濃度為170223個/L，過濾後計數濃度為6855個/L，因此，氣固分離陶瓷材料對於粒徑大於或等於0.3 μ m顆粒的過濾效率達95.97%。
[0069]抗折強度根據國家標準GB/T6569-86測試，氣固分離陶瓷材料測試尺寸為3mmX4mmX 35mm,採用三點彎曲法測量,跨距為30mm,加載速率為0.5mm/min ;測得抗折強度 8.8MPa ；
[0070]過濾阻力和阻力增幅根據國家標準GB/T6165-2008測試，氣固分離陶瓷材料的過濾阻力為130.59Pa，脈衝100次反吹後阻力增加32.08Pa ；
[0071]氣孔率採用阿基米德排水法測定，使用去離子水作為浸泡介質，經測試氣固分離陶瓷材料氣孔率為74.06% ；
[0072]利用天平稱 得氣固分離陶瓷材料質量，再用遊標卡尺測量長條狀氣固分離陶瓷材料的尺寸，計算出材料的平均表觀密度0.678g/cm3。
【權利要求】
1.一種氣固分離陶瓷材料的製備方法，包括以下步驟: (O原料的製備 將纖維分散劑溶於水中形成質量濃度為0.5-1.5g/L的水溶液； 將 9-21￥丨％高嶺土、0.5-4.5wt%Ca0、0.5-4.5wt%MgO和 70_90wt% 陶瓷纖維混合後，按照固液重量比1:50-1:150的比例加入到纖維分散劑水溶液中，攪拌均勻得到漿料；其中，高嶺土、CaO、MgO和陶瓷纖維的質量百分比是以四者的總量為基準； (2)樣品成型和燒成 將混合得到的漿料緩緩注入內壁鋪有不鏽鋼濾網的圓柱狀多孔金屬模具中，通過真空泵抽真空使漿料中的固體成分在不鏽鋼濾網內側表面上附著，同時在抽真空過程中使圓柱狀多孔金屬模具以中心軸為旋轉軸進行旋轉，通過真空吸附和離心附著的共同作用使樣品均勻成型；製得的成型樣品經脫模、燒成後得到成品。
2.權利要求1所述的製備方法，其特徵在於:所述的纖維分散劑是水溶性高分子改性纖維素或水溶性合成高分子。
3.權利要求1所述的製備方法，其特徵在於:所述的陶瓷纖維為矽酸鋁纖維和多晶莫來石纖維中的一種或兩種的混合物。
4.權利要求1所述的製備方法，其特徵在於:所述的圓柱狀多孔金屬模具由內模和外模兩個部件構成，外模為一端開口、一端封閉且開有一連接孔的圓柱狀金屬容器；內模為一端開口、一端封閉、壁上均勻分 布有直徑為1mm圓孔的圓柱狀多孔金屬模具。
5.權利要求4所述的製備方法，其特徵在於，步驟(2)中的樣品成型步驟具體採用如下操作:先將圓柱狀多孔金屬模具外模上的連接孔與儲液罐及真空泵相連，並將內模置於外模中，開口端通過法蘭邊密封；將100目的不鏽鋼濾網鋪於多孔金屬內模的內壁，然後將混合得到的漿料緩緩注入圓柱狀多孔金屬內模中；開啟真空泵，同時使圓柱狀多孔金屬模具以中心軸為旋轉軸進行旋轉；漿料中的固體成份通過真空吸附及離心附著的作用在不鏽鋼濾網內側表面上均勻成型。
6.權利要求1所述的製備方法，其特徵在於:圓柱狀多孔金屬模具旋轉的轉速為40-80r/min。
7.權利要求1所述的製備方法，其特徵在於:所述的脫模包括脫去多孔金屬模具和分離樣品表面的不鏽鋼濾網兩個步驟，具體是:先從金屬外模中取出帶有樣品的多孔金屬內模並進行乾燥處理；然後，從多孔金屬內模中取出帶有不鏽鋼濾網的氣固分離材料樣品；最後取下樣品表面的不鏽鋼濾網，得到完整的氣固分離陶瓷材料樣品。
8.權利要求7所述的製備方法，其特徵在於:所述的乾燥處理是將帶有樣品的內模在烘箱或烘乾窯內乾燥，溫度為60-80°C，時間為10-12小時。
9.權利要求1所述的製備方法，其特徵在於:所述的燒成步驟是在1300-1350°C焙燒11-13小時。
10.一種由權利要求1-9中任一項所述製備方法製成的氣固分離陶瓷材料。
【文檔編號】C04B35/80GK103739303SQ201310751809
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】張華 , 洪海波, 金江 申請人:南京工業大學