一種高溫高壓無機過濾膜及其製備方法
2023-08-01 02:45:36
專利名稱：一種高溫高壓無機過濾膜及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種高溫高壓無機過濾膜及其製備方法。
背景技術：
在催化劑載體、氣固分離和熔融金屬的分離過濾方面，需要解決的一個關鍵問題是高溫過濾除塵技術，高溫無機過濾膜被認為是解決這一問題最有效的途徑。無機過濾膜具有耐高溫、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，因而被廣泛使用，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。但是，在多孔陶瓷載體上製備無機過濾膜時，會有部分過濾膜粉料進入到載體的孔隙中，這就使過濾膜的實際厚度(從進入載體孔隙的過濾膜底面算起到過濾膜外表面)大於其名義厚度(載體表面到過濾膜外表面的厚度)，通常其實際厚度約為名義厚度的I. 5倍，進入載體孔內的這部分過濾膜粉料會增加了過濾裝置的過濾壓降(透過率)。
發明內容
本發明的目的是提供一種在高溫高壓環境下使用的無機過濾膜及其製備方法。本發明所提供的無機過濾膜，製成它的原料包括莫來石主料，增強劑和造孔劑等輔料；其中，所述莫來石和增強劑的質量比為85 90 10 15，所述造孔劑的體積分數為所述莫來石、增強劑和造孔劑體積之和的35 45%。本發明中，所述莫來石主料由不同粒徑的莫來石粉末組成。各粒徑範圍的莫來石平均粒徑分別為75-60 μ m、60-45 μ m和45-30 μ m，質量含量依次為65 55%、35 25%和15 5%的莫來石組成。所述莫來石主料具體可通過下述方法製備得到將質量含量分別為65 55%、35 25%和15 5%、平均粒徑分別為75-60μπι、60-45μπι和45-30 μ m的莫來石粉倒入球磨罐中，加入一定數量的聚乙烯醇和去離子水，球磨4 6h，在80 120°C下充分乾燥，破碎，過60目篩，製備成混合均勻的所需比例的莫來石主料。其中，所述莫來石粉、聚乙烯醇和去離子水的質量比依次為100 : 5 10 : 150 200。所述增強劑具體可由粘土、高嶺土及長石的混合物相組成，其中，粘土、高嶺土及長石的質量比依次為5 7 : 3 5 : 2 3。所述造孔劑具體可為含量高於95%、平均粒徑為7 10 μ m的下述物質活性碳粉或紫木節。
本發明的高溫高壓無機過濾膜的製備方法，包括下述步驟I)在莫來石主料中加入增強劑和造孔劑，配成混合粉體；向所述混合粉體中加入分散劑和懸浮劑，並加入去離子水配成噴塗料漿；
2)將上述噴塗料漿球磨混合後，倒入由計算機控制的加料泵中，依據設定的比例程序，在一定的壓力下，通過控制噴塗距離(即噴嘴離多孔陶瓷載體表面的距離)和噴塗時間，把料漿均勻地噴塗在多孔陶瓷載體表面，經自然乾燥即可得到坯體，實現無機膜的透過率隨厚度呈梯度變化；3)將製備的坯體進行無壓燒結，冷卻後得所述高溫高壓無機過濾膜。其中，步驟I)中所述分散劑具體可為聚丙烯酸銨、聚丙烯酸鈉或檸檬酸銨。所述分散劑的加入量不超過所述混合粉體質量的2%。所述懸浮劑具體可為聚乙烯醇縮丁醛或羧甲基纖維素。所述懸浮劑的加入量不超過所述混合粉體質量的2%。上述分散劑和懸浮劑均可經步驟3)燒結後去除。步驟I)中所述混合粉體與去離子水的質量比可為I : I. 2 I. 5。步驟2)中所述球磨的時間為6 12小時。
步驟2)中所述壓力為O. 15 O. 2MPa;所述噴塗距離為15 30cm;所述噴塗時間為20 40s。在步驟2)中由於料漿噴塗在多孔陶瓷載體上，水分被孔吸收，所以噴塗後經自然乾燥即可得到坯體。由於使用的是粒徑呈比例的料漿，在噴塗過程中，粗顆粒先沉積在載體表面，細顆粒後沉積，這樣就會造成孔徑的梯度分布，從而造成「膜的透過率隨厚度呈梯度變化。在噴塗過程中，通過控制料漿壓力、噴塗距離和時間可以控制膜的厚度。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 1320°C，燒結時間I 4小時。本發明進行了過濾膜的結構設計，利用不同粒徑混合的莫來石粉為主料，採用新型比例噴塗方法製備得到透過率隨膜厚度呈梯度變化的過濾膜，從而有效阻止了過濾膜粉料進入載體孔隙的現象，極大提高了無機過濾膜的過濾精度和透過率。所得到的無機過濾膜均勻完整，具有良好的微結構，適宜的孔徑大小和分布。利用本發明方法所製備的無機過濾膜具有以下幾個特點一是抗熱震性好、熱膨脹係數小、高溫高壓下具有良好的機械和化學穩定性；二是初始壓降低、過濾效率高、使用壽命長；三是孔隙率高、硬度高、耐磨性好。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。
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。實施例I :將質量分別為130g、60g和10g、平均粒徑分別為70 μ m、55 μ m和40 μ m的莫來石粉倒入球磨罐中，加入IOg聚乙烯醇(17-88，其中，17表示聚合度1700，88表示醇解度為88% )和350g去離子水，球磨4h，在80°C下充分乾燥，破碎，過60目篩製備成所需的比例莫來石主料。取172克比例莫來石主料，28克增強劑(粘土 12g、高嶺土 IOg及長石6g)和體積分數40%的紫木節(平均粒徑為7μπι)混合，加入質量分數I %的聚丙烯酸鈉(分子量2000)分散劑和質量分數1%的聚乙烯醇縮丁醛(SD-2)懸浮劑，倒入240ml去離子水中進行球磨12小時形成比例料漿；倒入由計算機控制的加料泵中，依據設定的比例程序，在O. 15MPa的壓力下，通過控制噴塗距離(15cm)和噴塗時間(20s)，把料漿均勻地噴塗在多孔陶瓷載體表面，經自然乾燥即可得到坯體。將製備的完整坯體在1280°C下無壓燒結，保溫時間為3小時，氣氛為空氣氣氛，隨爐自然冷卻，得到高溫高壓無機過濾膜。測試結果製備的莫來石無機過濾膜的氣體透過率為41. 8%,膜厚為226 μ m。完全能夠保證高溫高壓使用條件下對無機過濾膜的要求。實施例2 將質量分別為120g、66g和14g、平均粒徑分別為68 μ m、50 μ m和38 μ m的莫來石粉倒入球磨罐中，加入12g的聚乙烯醇(17-88)和320g去離子水，球磨6h，在90°C下充分乾燥，破碎，過60目篩製備成所需的比例莫來石主料。將174克比例莫來石主料，26克增強劑(粘土 12g、高嶺土 IOg及長石4g)和體積分數38%活性碳粉(平均粒徑為ΙΟμπι)混合，力口入質量分數I. 2%的檸檬酸銨分散劑和質量分數O. 8%羧甲基纖維素(分子量6400)懸浮齊[J，倒入260ml去離子水中進行球磨6小時形成比例料漿；倒入由計算機控制的加料泵中，依據設定的比例程序，在O. 16MPa的壓力下，通過控制噴塗距離(20cm)和噴塗時間(25s)，把料漿均勻地噴塗在多孔陶瓷載體表面，經自然乾燥即可得到坯體。將製備的完整坯體在1300°C下無壓燒結，保溫時間為2小時，氣氛為空氣氣氛，隨爐自然冷卻得到一種高溫高壓無機過濾膜。測試結果製備的莫來石無機過濾膜的氣體透過率為40. 2%,膜厚為233 μ m。完全能夠保證高溫高壓使用條件下對無機過濾膜的要求。實施例3 將質量分別為114g、66g和20g、將含量分別為57 %、33 %和10 %、平均粒徑分別為65μηι、55μηι和35 μ m的莫來石粉倒入球磨罐中，加入15g的聚乙烯醇(17-88)和400g去離子水，球磨5h，在100°C下充分乾燥，破碎，過60目篩製備成所需的比例莫來石主料。將176克比例莫來石主料，24克增強劑(粘土 10g、高嶺土 IOg及長石4g)和體積分數40%的紫木節(平均粒徑為8 μ m)混合，加入質量分數1.0%的聚丙烯酸銨(分子量1000)分散劑和質量分數O. 8%的聚乙烯醇縮丁醛(SD-2)懸浮劑，倒入280ml去離子水中進行球磨10小時形成比例料漿；倒入由計算機控制的加料泵中，依據設定的比例程序，在O. ISMPa的壓力下，通過控制噴塗距離(25cm)和噴塗時間(30s)，把料漿均勻地噴塗在多孔陶瓷載體表面，經自然乾燥即可得到坯體。將製備的完整坯體在1250°C下無壓燒結，保溫時間為4小時，氣氛為空氣氣氛，隨爐自然冷卻得到高溫高壓無機過濾膜。測試結果製備的莫來石無機過濾膜的氣體透過率為43. 6%,膜厚為246μηι。完全能夠保證高溫高壓使用條件下對無機過濾膜的要求。實施例4 將質量分別為124g、64g和12g、將含量分別為62132%和6%、平均粒徑分別為62μηι、48μηι和32 μ m的莫來石粉倒入球磨罐中，加入20g的聚乙烯醇(17-88)和300g去離子水，球磨6h，在120°C下充分乾燥，破碎，過60目篩製備成所需的比例莫來石主料。將170克比例莫來石主料，30克增強劑(粘土 Hg、高嶺土 IOg及長石6g)和體積分數41%的活性碳粉(平均粒徑為9 μ m)混合，加入質量分數I. 2%的聚丙烯酸鈉(分子量2000)分散劑和質量分數1.0%的羧甲基纖維素(分子量6400)懸浮劑，倒入300ml去離子水中進行球磨8小時形成比例料漿；倒入由計算機控制的加料泵中，依據設定的比例程序，在O. 2MPa的壓力下，通過控制噴塗距離(30cm)和噴塗時間(40s)，把料漿均勻地噴塗在多孔陶瓷載體表面，經自然乾燥即可得到坯體。將製備的完整坯體在1320°C下無壓燒結，保溫時間為I小時，氣氛為空氣氣氛，隨爐自然冷卻得到一種高溫高壓無機過濾膜。測試結果製備的莫來石無機過濾膜的氣體透過率為42. 2%,膜厚為252 μ m。完全能夠保證高溫高壓使用條件下對無機過濾膜的要求。權利要求
1.一種無機過濾膜，製成它的原料包括莫來石主料，以及輔料增強劑和造孔劑；其中，所述莫來石主料和增強劑的質量比為85 90 10 15，所述造孔劑的體積分數為所述莫來石、增強劑和造孔劑體積之和的35 45% ； 其中，所述莫來石主料由平均粒徑分別為75-60 μ m、60-45 μ m和45-30 μ m,質量含量依次為65 55%、35 25%和15 5%的莫來石組成。
2.根據權利要求I所述的無機過濾膜，其特徵在於所述增強劑由粘土、高嶺土和長石組成；其中，粘土、高嶺土及長石的質量比依次為5 7 3 5 2 3。
3.根據權利要求I或2所述的無機過濾膜，其特徵在於所述造孔劑為含量高於95%、平均粒徑為7 10 μ m的下述物質活性碳粉或紫木節。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的無機過濾膜，其特徵在於所述莫來石主料是通過下述方法製備得到的將質量含量分別為65 55%、35 25%和15 5%、平均粒徑分別為75-60 μ m、60-45 μ m和45-30 μ m的莫來石粉倒入球磨罐中，加入聚乙烯醇和去離子水，球磨4 6h，在80 120°C下乾燥，破碎，過60目篩製備成所述莫來石主料； 其中，所述莫來石粉、聚乙烯醇和去離子水的質量比依次為100 : 5 10 : 150 200。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的無機過濾膜，其特徵在於所述無機過濾膜是權利要求6-10中任一項所述方法製備得到的。
6.製備權利要求1-4中任一項所述的無機過濾膜的方法，包括下述步驟 1)在所述莫來石主料中加入所述增強劑和造孔劑，配成混合粉體；向所述混合粉體中加入分散劑和懸浮劑，並加入去離子水配成噴塗料漿； 2)將步驟I)的噴塗料漿球磨混合後，均勻地噴塗在多孔陶瓷載體表面，自然乾燥得到坯體； 3)將所述坯體進行無壓燒結，冷卻後得所述無機過濾膜。
7.根據權利要求6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 1320°C，燒結時間I 4小時。
8.根據權利要求6或7所述的方法，其特徵在於步驟I)中所述分散劑為聚丙烯酸銨、聚丙烯酸鈉或檸檬酸銨，所述分散劑的加入量不超過所述混合粉體質量的2% ； 所述懸浮劑為聚乙烯醇縮丁醛或羧甲基纖維素，所述懸浮劑的加入量不超過所述混合粉體質量的2% ； 步驟I)中所述混合粉體與去離子水的質量比為I : I. 2 I. 5。
9.根據權利要求6-8中任一項所述的方法，其特徵在於步驟2)中所述球磨的時間為6 12小時。
10.根據權利要求6-9中任一項所述的方法，其特徵在於步驟2)中所述噴塗的工藝條件如下料漿的噴塗壓力為O. 15 O. 2MPa，噴塗距離為15 30cm ;噴塗時間為20 40so
全文摘要
本發明公開了一種高溫高壓無機過濾膜及其製備方法。所述的無機過濾膜含有主料莫來石，以及輔料增強劑和造孔劑；其中，莫來石主料和增強劑的質量比為85～90∶10～15，所述造孔劑的體積分數為所述莫來石、增強劑和造孔劑體積之和的35～45％。製備方法如下在不同粒徑莫來石主料粉末中加入增強劑、造孔劑以及一定比例的懸浮劑和分散劑，球磨，比例噴塗製成過濾膜。本發明通過對粒徑嚴格分級、含量精確控制形成比例莫來石主料，並利用新型比例噴塗等技術，有效控制了過濾膜的厚度，提高了過濾膜的透過率。所製備的莫來石無機過濾膜具有初始壓降低、過濾效率高、使用壽命長、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。
文檔編號C04B35/185GK102633532SQ20121010364
公開日2012年8月15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