多孔陶瓷过滤器及其制造方法技术

本文公开了过滤制品，其包括含有多个通道的多孔陶瓷结构，所述多个通道被多个多孔内壁分离；以及设置在多孔陶瓷结构的表面的至少一部分上的纳米膜，其中，纳米膜包括至少一种无机氧化物的纳米颗粒，并且其中，基于多孔陶瓷结构的总体积计，所述纳米颗粒存在的浓度在约0.001g/L至约1g/L的范围内。本文还公开了用于制造所述过滤制品的方法以及使用所述过滤制品从流体中过滤微粒的方法。

Porous ceramic filter and its manufacturing method

This article discloses a filter product comprising a porous ceramic structure containing multiple channels, the plurality of channels separated by a plurality of porous inner walls, and a nano film set on at least part of the surface of a porous ceramic structure, wherein the nano film includes at least one inorganic oxide nanoparticle, and in which, The total volume of the porous ceramic structure is in the range of about 0.001g/L to about 1g/L. The invention also discloses a method for manufacturing the filter product and a method for filtering particles from the fluid by using the filter product.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多孔陶瓷过滤器及其制造方法相关申请的交叉参考本申请要求2015年10月30日提交的系列号为62/248,690的美国临时申请的优先权权益，本文以该申请的内容为基础并通过引用将其全文纳入本文。
本公开一般涉及蜂窝结构，例如多孔陶瓷过滤器，更具体地，涉及包含纳米膜的多孔陶瓷蜂窝结构或蜂窝体，以及用于制造该多孔陶瓷结构的方法，以及使用该过滤结构从流体中过滤微粒的方法。
技术介绍
空气净化和过滤在许多情况下，例如在医院、实验室、手术室、医疗设施、洁净室、汽车、飞行器、住宅等中，可以是重要的。
技术实现思路
在各个实施方式中，本公开涉及过滤制品，其包含多孔陶瓷结构或“基材”，例如包含多个多孔内壁的多孔陶瓷蜂窝结构，所述多个多孔内壁限定多个通道并且使各通道分离；以及设置在多孔陶瓷基材的表面的至少一部分上的纳米膜，其中，纳米膜包括至少一种无机氧化物的纳米颗粒，并且其中，基于多孔陶瓷基材结构的总体积计，所述纳米颗粒存在的浓度在约0.001g/L至约1g/L的范围内。根据各个实施方式，所述至少一种无机氧化物可以选自SiO2、Al2O3、SnO2、ZnO、TiO2及其组合。在某些实施方式中，纳米膜的孔隙率可以大于约80％。根据另外的实施方式，多孔陶瓷结构或基材的中值孔径可以在约5微米至约20微米的范围内。在另外的实施方式中，纳米膜的厚度可以为约20微米或更小。根据另外的实施方式，多孔陶瓷结构或基材的过滤效率可以大于约99％并且/或者压降可以为约500Pa或更低。根据各个实施方式，可以在通道的端部处或接近端部，或者在通道内封闭或密封或堵塞多个通道。还公开了从流体中过滤微粒的方法，所述方法包括使流体流过本文公开的过滤制品。本文还公开了制造所述过滤制品的方法，所述方法包括：将纳米膜沉积在多孔陶瓷结构或基材的表面的至少一部分上，其中，所述多孔陶瓷结构或基材包括由多个多孔内壁分离的多个通道，其中，所述纳米膜包含至少一种无机氧化物的纳米颗粒，并且其中，基于多孔陶瓷结构或基材的总体积计，所述纳米颗粒存在的浓度在约0.001g/L至约1g/L的范围内。在各个实施方式中，沉积纳米膜可以包括在至少一种氧化剂的存在下燃烧至少一种无机氧化物前体以生成无机氧化物纳米颗粒；并且使包含无机氧化物纳米颗粒的流体流流过所述多孔陶瓷结构或基材达到一沉积时间，所述沉积时间足以在多孔陶瓷结构或基材的表面的至少一部分上形成纳米膜。根据各个实施方式，所述无机氧化物前体可以为包含至少一种溶剂的溶液形式。在非限制性实施方式中，沉积工艺变量可以包括在约10mg/分钟至约200mg/分钟范围内的纳米颗粒流速，在约5秒至约5分钟范围内的沉积时间，和/或在约50℃至约1200℃范围内的沉积温度。在以下的具体实施方式中给出了本公开的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言根据所作描述即容易理解，或者通过实施包括以下具体实施方式、权利要求书以及附图在内的本文所述方法而被认识。应理解，前面的一般性描述和以下的具体实施方式都显示了本公开的多个实施方式，并旨在提供用于理解权利要求的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本公开的进一步的理解，附图结合于本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了本公开的各个实施方式，并与说明书一起用来解释本公开的原理和操作。附图说明结合以下附图阅读可以进一步理解下文中的具体实施方式，其中，只要可能，相同的数字符号用于表示相同的元件，并且：图1为例示了针对空白陶瓷蜂窝过滤器，作为中值孔径函数的压降和过滤效率的图表；图2A-2B例示了示例性的多孔陶瓷蜂窝结构或基材；图3为例示了作为陶瓷结构或基材的中值孔径的平方的函数的烟炱负载的图表；图4为例示了作为烟炱负载的函数的压降的图表；图5-6为作为陶瓷基材的中值孔径的函数的总系统压降、纳米膜压降、陶瓷结构或基材压降的图表；以及图7A-D为根据本公开各个实施方式所述的包含纳米膜的多孔陶瓷结构或基材的扫描电子显微镜(SEM)图像。具体实施方式过滤制品本文公开了过滤制品，其包括含有多个通道的多孔陶瓷结构或基材，所述多个通道被多个多孔内壁分离；以及设置在多孔陶瓷结构或基材的表面的至少一部分上的纳米膜，其中，纳米膜包括至少一种无机氧化物的纳米颗粒，并且其中，基于多孔陶瓷结构或基材的总体积计，所述纳米颗粒存在的浓度在约0.001g/L至约1g/L的范围内。图1为例示了针对不含纳米膜的空白陶瓷蜂窝过滤器(200/8，65％孔隙率)，作为中值孔径函数的压降和过滤效率的图表。从图中可理解，过滤效率可通过减小过滤器的中值孔径得到提高。然而，减小中值孔径来改进空气过滤效率也导致了压降的增加(区域A)。类似地，增大中值孔径来降低压降导致过滤效率降低(区域B)。空白过滤器的压降可通过指数衰减函数(1)估算：ΔPs＝A1*exp(-d50/k1)+P0(1)其中，A1、K1和P0是与孔隙率、孔道几何、网厚度、流动表面积和纳米膜的火焰沉积条件相关的结构参数，并且d50是过滤器的中值孔径。相反，过滤器的过滤效率遵循玻尔兹曼分布，如图1中的图所示。因此，如果不是不可能的话，达到初始空气过滤效率(85％)和压降(120Pa)的最低要求迄今为止是困难的。如本文公开的用纳米膜处理的多孔陶瓷结构或基材可以解决该问题。如本文中所使用的，术语“纳米膜”旨在表示通过至少一个尺寸小于约100nm的纳米颗粒积聚所形成的膜、涂层或层。例如，纳米膜可包含无机氧化物纳米颗粒或者两种或更多种无机氧化物纳米颗粒的混合物，其平均粒径或直径可以例如小于100nm。当然，应理解的是，所述纳米膜不限于包含球形纳米颗粒的那些，并且任何颗粒形状被视为落入本公开的范围内。术语“膜”、“层”和“涂层”在本文中可互换使用以表示在表面上由纳米颗粒形成的纳米膜。本文使用的术语“表面”是指陶瓷结构或基材的任意外表面或内表面，包括但不限于由外部结构或基材壁以及内部结构或基材微结构上的孔和/或通道形成的任意表面。根据各个实施方式，纳米膜可以包含至少一种无机氧化物的纳米颗粒。例如，纳米膜可以包含各无机氧化物纳米颗粒的混合物。在非限制性实施方式中，合适的纳米颗粒可以包含但不限于SiO2、Al2O3、TiO2、ZnO、SnO2和类似氧化物及其组合。在某些实施方式中，纳米颗粒的至少一个尺寸可以为约100nm或更小，例如小于约90nm、小于约80nm、小于约70nm、小于约60nm、小于约50nm、小于约40nm、小于约30nm、小于约20nm、小于约10nm或小于约5nm，例如在约1nm至约100nm的范围内。纳米颗粒可以具有任意规则或不规则形状，例如球形、卵形、板形及其他形状。因此，所述至少一个尺寸可以对应于粒径、直径、长度、宽度、高度或任意其他合适的尺寸。在非限制性实施方式中，纳米膜的厚度可以为约20微米或更小，例如在以下范围内：约10nm至约10微米、约20nm至约5微米、约30nm至约2微米、约40nm至约1微米、约50nm至约500nm、约60nm至约400nm、约70nm至约300nm、约80nm至约200nm、约90nm至约150nm或约100nm至约120nm，包括其间的所有范围和子范围。在各个实施方式中，纳米膜的孔隙率可以大于或等于约80％，例如大于约85％、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种过滤制品，其包括：包含多个通道的多孔陶瓷结构，所述多个通道由多个多孔内壁分离；和设置在多孔陶瓷结构的表面的至少一部分上的纳米膜，其中，所述纳米膜包含至少一种无机氧化物的纳米颗粒，并且其中，基于多孔陶瓷结构的总体积计，所述纳米颗粒存在的浓度在约0.001g/L至约1g/L的范围内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.30 US 62/248,6901.一种过滤制品，其包括：包含多个通道的多孔陶瓷结构，所述多个通道由多个多孔内壁分离；和设置在多孔陶瓷结构的表面的至少一部分上的纳米膜，其中，所述纳米膜包含至少一种无机氧化物的纳米颗粒，并且其中，基于多孔陶瓷结构的总体积计，所述纳米颗粒存在的浓度在约0.001g/L至约1g/L的范围内。2.如权利要求1所述的过滤制品，其中，所述多孔陶瓷结构为陶瓷蜂窝体。3.如权利要求1所述的过滤制品，其中，所述纳米膜被设置在多孔陶瓷结构的多孔内壁表面的至少一部分上。4.如权利要求1所述的过滤制品，其中，所述至少一种无机氧化物选自SiO2、Al2O3、SnO2、ZnO、TiO2或其组合。5.如权利要求1所述的过滤制品，其中，所述纳米膜的孔隙率为约85％或更高。6.如权利要求1所述的过滤制品，其中，多孔陶瓷结构的中值孔径在约3微米至约20微米的范围内。7.如权利要求1所述的过滤制品，其中，多孔陶瓷结构的中值孔径在约6微米至约10微米的范围内。8.如权利要求1所述的过滤制品，其中，所述纳米膜的厚度在约10nm至约20微米的范围内。9.如权利要求1所述的过滤制品，其中，所述纳米颗粒的平均粒径在约1nm至约100nm的范围内。10.如权利要求1所述的过滤制品，其中，在约100L/分钟至约1500L/分钟的流体流速下，对于粒径为约0.3微米的微粒，所述过滤制品的过滤效率为约85％或更高。11.如权利要求1所述的过滤制品，其中，在约100L/分钟至约1500L/...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈国华，C·R·费克特，J·王，吴惠箐，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US