王躍超 汪永清

（1 江蘇省陶瓷研究所有限公司，宜興214221；2 景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)，景德鎮(zhèn)333000）

0 前 言

隨著工業(yè)化的發(fā)展，水污染等問(wèn)題日益嚴(yán)重，高效的膜法水處理技術(shù)需求越來(lái)越大。 平板陶瓷膜材料作為膜法水處理的核心元件， 與傳統(tǒng)的有機(jī)膜材料相比，具有耐酸堿、耐高溫、耐溶劑、耐生物侵蝕、通量大、剛性好等特點(diǎn)，使其在使用過(guò)程中具備壽命長(zhǎng)、適用范圍廣、易于清洗再生、處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。

平板陶瓷膜通常由支撐體、膜分離層組成。 支撐體通常采用擠出法和干壓法等工藝進(jìn)行成型， 在高溫下燒制出多孔陶瓷支撐體。 膜分離層則可采用噴涂法、 浸漬法、 吸鍍法等工藝在支撐體表面進(jìn)行鍍膜，最后經(jīng)燒成制備出合格的平板陶瓷膜。 目前已開(kāi)發(fā)出的陶瓷平板膜材質(zhì)主要有氧化鋁、碳化硅、莫來(lái)石、二氧化鈦、氧化鋯等。 其中，氧化鋁質(zhì)陶瓷平板膜具有原料來(lái)源廣、綜合性能優(yōu)異、易于低溫?zé)Y(jié)、制造成本較低等優(yōu)點(diǎn)[2]。

本文先以氧化鋁（D50=7 μm）為骨料，采用擠出成型的方法制備出多孔氧化鋁平板支撐體， 再以氧化鋁微粉（D50=1 μm）與少量無(wú)機(jī)粘結(jié)劑為主要原料， 采用浸漬法和噴涂法兩種鍍膜工藝在氧化鋁平板支撐體上制備氧化鋁陶瓷平板膜，研究分散劑、固含量、鍍膜工藝等對(duì)膜材料性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料（見(jiàn)表1）

1.2 氧化鋁平板膜支撐體的制備

采用擠出成型法和固態(tài)粒子燒結(jié)法制備氧化鋁陶瓷平板膜支撐體，以α-Al2O3為骨料，按比例加入結(jié)合劑、增塑劑和水；先用高速攪拌機(jī)混合均勻，放入真空練泥機(jī)中進(jìn)行真空練泥，泥料經(jīng)陳腐24 h～48 h 后，采用真空擠出成型機(jī)成型；經(jīng)過(guò)干燥，最后在高溫梭式窯中燒成， 燒成溫度為1 350 ℃～1 450 ℃；燒好后，經(jīng)表面預(yù)處理后烘干備用。

表1 試驗(yàn)原料及生產(chǎn)廠家

1.3 膜分離層的制備

以α-Al2O3微粉為主要原料，采用噴涂法或浸漬成型工藝制備膜分離層。 具體工藝如下：將氧化鋁、無(wú)機(jī)粘結(jié)劑、分散劑、水及其它外加劑置于球磨機(jī)內(nèi)混合，控制球磨2 h～3 h 后，將混合均勻的漿料通過(guò)浸漬法或噴涂法涂覆到處理好的載體上， 成型好的膜層經(jīng)40 ℃干燥5 h～6 h 后， 再在60 ℃的溫度下干燥5 h～6 h。 干燥好后，放入梭式窯中燒成，燒成溫度控制在1 250 ℃～1 350 ℃之間。

1.4 性能測(cè)試

（1）漿料穩(wěn)定性的測(cè)試。 采用統(tǒng)一規(guī)格的量筒(50 ml)，把漿料分別倒入相應(yīng)的量筒中，然后分別在漿料靜置了24 h、48 h 后分別觀察各個(gè)量筒內(nèi)漿料沉降的高度及清液的高度， 判斷漿料的懸浮穩(wěn)定性[3]。

（2）通過(guò)NDJ-9S 型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定漿料的粘度（60 r/min）。

（3）采用GB/T 1967 多孔陶瓷孔道直徑試驗(yàn)方法測(cè)量試樣的平均孔徑。[4]

（4）按照HY064-2002《管式陶瓷微孔濾膜測(cè)試方法》測(cè)試試樣的純水通量。[5]

（5）用SEM 觀察樣品的膜表面顯微結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)論與分析

2.1 分散劑對(duì)膜漿料性能的影響

在試驗(yàn)中我們選用90 wt%的α-Al2O3(D50=1 μm)為骨料，加入10 wt%的無(wú)機(jī)結(jié)合劑，外加2%的粘結(jié)劑（CMC）和400 wt%的水。 混合均勻后，分別加入0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%的聚丙烯酸銨做分散劑， 研究聚丙烯酸銨添加量對(duì)漿料性能的影響（見(jiàn)表2）。

從表2 中可以看出，從樣品1 到樣品4，隨著漿料中聚丙烯酸銨加入量的增多，漿料的粘度降低，穩(wěn)定性逐漸提高；但從樣品4 到樣品6，隨著聚丙烯酸銨加入量的增多，漿料的粘度略有升高，穩(wěn)定性逐漸降低。

分析其原因：隨著聚丙烯酸銨的加入，聚丙烯酸銨發(fā)生電離，并吸附于Al2O3顆粒表面，使Al2O3顆粒表面產(chǎn)生凈電荷勢(shì)。 從樣品1 到樣品4 隨著聚丙烯酸銨加入量的提高，Al2O3顆粒表面包裹的電荷增加，顆粒表面凈電荷勢(shì)增大，顆粒間的斥力變大，漿料的分散性變好，漿料粘度降低，穩(wěn)定性提高[6]；但隨著聚丙烯酸銨的進(jìn)一步增加， 過(guò)剩而游離的聚丙烯酸銨分子會(huì)在顆粒間形成橋架而導(dǎo)致絮凝， 使?jié){料的穩(wěn)定性變差，粘度增大。

2.2 漿料固含量對(duì)膜性能的影響。

在試驗(yàn)中， 我們選用固含量濃度分別為10%、15%、20%、25%、30%和35%的漿料做鍍膜液， 采用浸漬法在同種支撐體上進(jìn)行鍍膜， 在相同的條件下制備出不同的試樣， 測(cè)試試樣的平均孔徑和純水通量。 （見(jiàn)圖1）

圖1 不同固含量制備的試樣對(duì)膜孔徑、純水通量的影響

從圖1 中可以看出隨著漿料固含量的提高，試樣的平均孔徑逐漸降低，純水通量也逐漸降低。 分析其原因：漿料固含量低時(shí)，浸漬時(shí)支撐體上吸附的漿料較少，膜層厚度較薄，膜層中大孔徑比例也相對(duì)較高，膜平均孔徑相對(duì)較大，試樣純水通量較大；隨著漿料固含量的提高，支撐體上吸附的漿料增加，膜層變厚，膜層中的大孔被覆蓋的概率提高，膜層中大孔比例逐漸降低，膜平均孔徑降低。 膜層厚度的增加和平均孔徑的降低，也導(dǎo)致了試樣的純水通量降低。

表2 聚丙烯酸銨對(duì)漿料穩(wěn)定性的影響

從圖1 中可以看出，固含量超過(guò)20%以后，試樣平均孔徑與純水通量降幅明顯變緩。 分析其原因：隨著固含量的進(jìn)一步提高，膜層中顆粒堆積厚度增加，膜層中大孔基本被覆蓋，孔徑變化較??；另一方面由于漿料在支撐體上形成“濾餅”，導(dǎo)致支撐體吸附漿料能力變差，膜層厚度增加不明顯，最終導(dǎo)致隨固含量的增加，試樣的平均孔徑與純水通量降幅變小。

2.3 鍍膜工藝對(duì)膜性能的影響。

以90 wt%的α-Al2O3(1 μm)為骨料，加入10 wt%的無(wú)機(jī)結(jié)合劑，外加2%的粘結(jié)劑（CMC）和400 wt%的水混合均勻后，加入5%的分散劑制成漿料。 在相同的氧化鋁平板膜支撐體上， 分別采用浸漬法和噴涂法制備膜層，通過(guò)吸漿時(shí)間和噴涂速度、次數(shù)等工藝的控制，確保膜層厚度基本相同，烘干后在相同的溫度下燒成。測(cè)試樣品的純水通過(guò)量，用SEM 觀察樣品的表面顯微結(jié)構(gòu)，研究工藝對(duì)產(chǎn)品性能的影響。

表3 鍍膜工藝對(duì)膜性能的影響

從表3 中可以看出， 與浸漬法制備的平板膜相比， 噴涂法制備出的膜平均孔徑較大， 純水通量較高。

圖2 浸漬法制備的陶瓷平板膜SEM 圖

圖2 是采用浸漬法制備的氧化鋁陶瓷平板膜的SEM。 從圖2 中可以看出，片層狀的氧化鋁顆粒相互交織堆積，氧化鋁顆粒粒度大小基本一致。 氣孔主要來(lái)自于氧化鋁顆粒間的孔隙， 顆粒之間的堆積相對(duì)緊密，圖中未見(jiàn)明顯大孔。

圖3 為噴涂法制備的氧化鋁陶瓷平板膜的SEM。 從圖可以看出，氧化鋁顆粒之間的堆積相對(duì)松散，顆粒間的間隙更大，這也是噴涂法制備的膜平均氣孔更大、純水通量更高的原因。 但從圖3 中發(fā)現(xiàn)有許多可見(jiàn)大小不一且形狀不規(guī)則的大孔， 分析其原因，可能是噴涂過(guò)程中，漿料在和空氣接觸的過(guò)程中產(chǎn)生了氣泡，噴涂到支撐體上后，隨著氣泡的消失在膜體中形成不規(guī)則的大氣孔。

圖3 噴涂法制備的平板膜SEM 圖

3 結(jié) 論

根據(jù)上述討論我們得出以下結(jié)論：

（1）在膜漿料的制備過(guò)程中，聚丙烯酸銨的加入量控制在0.4%左右比較合適， 此時(shí)漿料的穩(wěn)定性最好。

（2）鍍膜液固含量的高低影響著膜的平均孔徑和純水通量。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)鍍膜液的固含量控制在20%左右比較適宜， 此時(shí)的膜平均孔徑相對(duì)較小而通量較大。

（3）在鍍膜工藝的對(duì)比中，我們發(fā)現(xiàn)：浸漬法制備的膜結(jié)構(gòu)相對(duì)緊密， 水通量相對(duì)較小， 但孔徑均勻，無(wú)明顯缺陷；噴涂法制備的陶瓷膜水通量較大，但易產(chǎn)生大孔等缺陷。