一种基于直接发泡法制备高孔隙率气固分离陶瓷膜的方法

技术领域

本发明涉及一种基于直接发泡法制备高孔隙率气固分离陶瓷膜的方法，属于陶瓷膜材料的制备领域。

背景技术

冶金、石油、化工、电力等工业过程中会产生大量的高温含尘烟气，这些烟气中常含有氮氧化物、氧化硫及二噁英等有害气体，直接排放会造成严重的环境污染，需要除尘后才能采用催化氧化等工艺进行脱除。多孔陶瓷膜因其具有出色的化学稳定性、机械强度和抗热震性能等优点，在气固分离领域应用前景广泛。高孔隙率是多孔陶瓷膜材料的重要特性，通常情况下，孔隙率越高，气体渗透性能越好，同时高孔隙率可以提供更大的比表面积，从而增强材料的吸附能力和反应速率。

传统的陶瓷膜制备采用层层堆积的方式，一般由支撑层、过渡层和分离层构成，其中支撑层的作用是增加膜的机械强度，过渡层的孔径比支撑层的孔径小，其作用是防止膜层制备过程中颗粒向多孔支撑层的渗透，整个膜的孔径分布由支撑层到膜层逐渐减小，形成不对称的结构分布。范益群等人[化工学报, 2013, 64(01):107-115]介绍了层层制备陶瓷膜能够获得较为致密的结构，但制备过程繁琐、成本昂贵，且制得的陶瓷膜孔隙率相对较低，通常为30%-35%，限制了其在一些领域中的应用。

为提高陶瓷膜的孔隙率，研究人员采用多种改进方法进一步优化了制膜工艺，目前已经成熟的制备方法主要有添加造孔剂法、牺牲模板法等，但通常存在设备要求高，造孔剂材料成本难以控制，有机物热解时间长、能耗高等问题。Wei等人[J Membr Sci, 2017,540: 381-390]使用活性炭作为造孔剂制备大孔碳化硅载体，并在其上喷涂碳化硅晶须层修饰的碳化硅膜进行烧结。结果表明，1500 °C烧结的陶瓷膜平均孔径为2.31µm，孔隙率为40%，气体渗透性为105.2 m

基于上述缺陷，本发明公开了一种基于直接发泡法制备高孔隙率气固分离陶瓷膜的方法，通过快速搅拌将气体引入到陶瓷悬浮液中，产生细密且稳定的泡沫，陶瓷粉末在界面张力作用驱动下于气-液界面处定向自组装，经过干燥、烧结获得稳定且多孔的陶瓷膜材料。其简单、高效和低成本的特点，可以有效降低制备工艺的经济负担，促进高孔隙率陶瓷膜材料在气固分离领域的大规模制备和应用。

发明内容

本发明的目的是为改进现有技术的缺陷而提出基于直接发泡法制备高孔隙率陶瓷膜，简化了制备工艺，降低了成本。同时，通过控制陶瓷粉体种类、陶瓷粉体粒径、悬浊液的浓度、pH值以及表面活性剂的添加量，可以调节陶瓷膜孔隙率，以应用于气固分离领域。

本发明的技术方案为：一种基于直接发泡法制备高孔隙率气固分离陶瓷膜的方法，其具体步骤如下：A、常温常压下，将一定粒径的陶瓷粉末与水按（0.3-0.6）：1的质量比进行混合并搅拌均匀，制得陶瓷悬浊液，将陶瓷悬浊液的pH值调节为8-11，按陶瓷悬浊液质量的0.03%-0.15%加入表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB），搅拌一定时间形成湿泡沫。B、将湿泡沫注入环形注模模具，在室温下干燥4-12 h，再置于40 ℃至100 ℃环境中干燥6-24 h，脱模后经煅烧过程得到高孔隙率陶瓷膜。

优选所述的陶瓷粉末的种类为Al

优选所述的陶瓷粉末的粒径为0.5-10 μm。

优选所述的调节陶瓷悬浊液pH值的溶液为NaOH溶液。

优选所述的制膜液搅拌速度为1500-3000 rpm，搅拌时间为5-25 min。

优选所述的煅烧过程为：将生坯在1200-1800 ℃下煅烧，升温速率和降温速率控制在0.5-3 ℃/min，保温时间为1-3 h。

本发明制得的陶瓷膜相互连接的通孔平均孔径为78-183 μm，具有气固分离功能的小孔平均孔径为2-10 μm，孔隙率为81.9%-89.6%，气体渗透率为1007.4-1283.6 m

有益效果

本发明提供了一种基于直接发泡法制备高孔隙率气固分离陶瓷膜的方法。该方法具有工艺简单、制备成本低等优点。

陶瓷膜孔隙率及孔径与陶瓷粉体粒径、悬浊液浓度、pH值和表面活性剂的添加量有着紧密的关系。一般情况下，陶瓷粉体粒径越小，制得的陶瓷膜孔径越小。但过小的陶瓷粉体粒径会使得形成的湿泡沫稳定性差，陶瓷粉体容易从界面处解附着，导致在干燥收缩过程中形成细小裂纹。其次，悬浊液浓度越高，陶瓷膜孔隙率越低，但蜂窝状结构越完整，弯曲强度越高。适当的悬浊液浓度可以使得制备的陶瓷膜既有较为合适的孔隙率和弯曲强度，同时具有完整的蜂窝状结构和较多的联通孔道。此外，基于直接发泡法形成的湿泡沫在酸性溶液中稳定性较差，在碱性溶液中能够保持稳定，适当的pH值能够保持陶瓷粉体在悬浊液中良好的分散状态。最后，当表面活性剂添加量过低时，陶瓷膜基本为闭孔。提高表面活性剂添加量可以使湿泡沫发泡量提高，气体内相比例增加，从而提高气泡和气泡接触点，使得陶瓷膜逐渐由闭孔转变为联通孔，增大陶瓷膜孔径。

通过控制陶瓷粉体种类、陶瓷粉体粒径、悬浊液浓度、pH值以及表面活性剂的添加量，可以调节陶瓷膜的孔径和孔隙率，制备出具有高孔隙率、高气体渗透性、高粉尘过滤性能的陶瓷膜，为面向气固分离领域的高孔隙率陶瓷膜的制备提供了参考。

附图说明

图1是实例3中所制备的陶瓷膜干燥后的宏观形貌图。

图2是实例3中所制备的陶瓷膜煅烧后的宏观形貌图。

图3是实例3中所制备的陶瓷膜断面的SEM图。

具体实施方式

实施例1

首先，在常温常压下，将0.5 μm的ZrO

实施例2

首先，在常温常压下，将2 μm的TiO

实施例3

首先，在常温常压下，将5 μm的SiC粉末置于水中进行搅拌分散，使SiC粉末和水的质量比为0.5：1，制得陶瓷悬浊液，加入NaOH溶液将悬浊液pH值调节至10，添加陶瓷悬浊液总质量0.10%的表面活性剂CTAB，以2500 rpm的速度搅拌20 min，形成湿泡沫后注入环形注模模具，在室温下干燥8 h，再置于80 ℃环境中干燥18 h，脱模后在空气气氛下以2 ℃/min的速率升温至1250 ℃并保温2 h，制备出的陶瓷膜相互连接的通孔平均孔径为107 μm，具有气固分离功能的小孔平均孔径为2 μm，孔隙率为89.6%，气体渗透率为1283.6 m

表1是实例3中直接发泡法制备的陶瓷膜性能和文献中的对比。图1是实例3中所制备的陶瓷膜干燥后的宏观形貌图。图2是实例3中所制备的陶瓷膜煅烧后的宏观形貌图。图3是实例3中所制备的陶瓷膜断面的SEM图。

实施例4

首先，在常温常压下，将10 μm的Al

表1是实例3中制备的陶瓷膜性能和文献的对比