多孔陶瓷载体、膜、方法及其用途技术

技术编号：39990784 阅读：8 留言：0更新日期：2024-01-09 02:15

本公开涉及制造多孔陶瓷载体和负载型陶瓷膜的方法，其包括将陶瓷粉末、粘土粉末和粘合剂混合以形成混合物，将所述混合物在水性或非水性介质和湿润剂中捏合以形成陶瓷油膏，以及将所述陶瓷油膏老化至少24小时。陶瓷粉末在陶瓷油膏中占比为约70wt％至约80wt％。在陶瓷油膏中粘土粉末占比为约5wt％至约15wt％。陶瓷粉末具有约5μm至约20μm的平均粒度。本公开还涉及多孔陶瓷载体及其负载型陶瓷膜。

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【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】

概括地说，本专利技术涉及多孔陶瓷载体及其负载型陶瓷膜。本专利技术还涉及制造多孔陶瓷载体和负载型陶瓷膜的方法。

技术介绍

1、多孔陶瓷由于其优异的化学稳定性、大的表面积、高渗透性和良好的机械强度而被广泛用作催化剂和分离膜的载体。多孔陶瓷载体对整体性能的影响越来越受到人们的重视，设计和优化其微观结构和化学性质也越来越受到关注。在压力驱动过滤过程中，陶瓷膜的机械强度对于它们的服务性能是重要的，陶瓷膜的机械强度由大/微孔陶瓷载体支配。同时，希望陶瓷载体尽可能多孔以使过滤阻力最小化，过滤阻力是高渗透性膜的基础。多孔陶瓷载体的机械强度可以通过提高加工温度来提高。然而，这将不可避免地降低孔隙率水平，从而降低渗透行为。因此，非常希望克服多孔陶瓷载体的渗透性和机械强度之间的微妙权衡，但这却是具有挑战性的。

2、氧化铝粉末已广泛用于制备多孔陶瓷载体，其也是商业陶瓷膜的主要组分。由于用于陶瓷载体的氧化铝粉末通常尺寸较大，因此需要高于1600℃的高温来制备大孔/微孔载体以确保可接受的机械强度。氧化铝粉末的相对高的成本和高温烧结导致陶瓷载体的高制造成本，这占陶瓷膜制造成本的主要部分。最近，开发了低成本的天然材料和固体废物来制备多孔陶瓷载体。由于这些材料的熔点相对较低，可以在低于900℃的温度下获得低成本的陶瓷载体。然而，与高纯度氧化铝载体相比，这些低成本陶瓷载体显示出不足的机械强度和差的化学稳定性，因此它们的应用将在很大程度上受到限制。

3、将低成本天然材料结合到常规氧化铝基质中将是在较低烧结温度下获得多孔陶瓷载体的折衷途径，并且

4、在另一个实例中，使用高岭土(50wt％)、氧化铝(30wt％)和天然沸石(20wt％)通过挤出技术制造粘土基陶瓷载体膜。随着烧制温度(550℃、750℃、950℃和1150℃)的增加，载体中的孔隙率水平从56％降低至41％。类似地，所得陶瓷载体的平均孔径下降(1.53、1.34、0.88和0.59μm)。在1150℃下制备的陶瓷载体显示出2245kg/m2 h bar的纯水通量。然而，这些载体显示出15.7±0.9mpa的差的机械强度。

5、在另一个实例中，氧化铝中粘土的量(0、40、55、70和85wt％)不同的陶瓷油膏配方影响挤出和烧结的管载体的物理化学性质。然而，在加入55wt％粘土的情况下，在1450℃下烧制的陶瓷载体显示44％的孔隙率水平和1.3μm的平均孔径，具有差的孔连通性，而纯水渗透性在1bar下仅为540lmh。发现增加粘土的量将显著降低陶瓷载体的透水性。

6、这些粘土基载体通常显示差的耐化学性。

7、尽管天然硅酸盐如高岭土已被广泛用于制备多孔陶瓷载体，但在硅酸盐用量的分布和控制方面仍缺乏合理的设计。结果，源自高岭土的玻璃相倾向于堵塞孔，这相应地牺牲了开口孔隙率的水平并因此牺牲了陶瓷载体的渗透性。

8、大孔/微孔陶瓷载体和膜层的共烧对于高性能陶瓷膜是高度期望的，尽管在较低的烧结温度和因此低的生产成本下制造是有挑战性的。首先，大孔/微孔陶瓷载体通常需要比膜层高得多的烧结温度。烧结温度的较大差异是大孔/微孔载体和膜层的共烧的第一个障碍。

9、降低的多孔陶瓷载体的烧结温度是它们与膜层共烧的基本前提条件。例如，表明通过使用具有低熔点的粉煤灰(fly ash)来制备陶瓷载体，可以通过在1050℃下共烧来制备氧化铝微滤膜。然而，如上所述，由粉煤灰制成的多孔陶瓷载体表现出相当差的机械强度(<45mpa)，即使当它们通过引入富铝红柱石纤维来增强时。载体和膜层之间的干燥和烧结收缩的适当匹配是另一个应当仔细考虑的关键因素。多孔陶瓷载体和细膜层之间的大的粒度差异将不可避免地扩大它们在干燥和烧结阶段的收缩差异。结果，在共焙烧的单层/多层膜中容易发生分层和/或破裂。

10、希望克服或改善至少一个上述问题。

技术实现思路

1、本专利技术基于这样的理解，即高渗透性陶瓷膜需要具有高机械强度和渗透性的多孔陶瓷膜载体。陶瓷载体的水渗透很大程度上取决于其开孔孔隙率的水平，然而这通常对机械强度有害。本专利技术人已经发现，低成本粘土纳米片或粉末(如高岭土)可以与较粗的陶瓷粉末(如氧化铝)复合，并且多通道平板多孔陶瓷载体可以通过挤出和随后的部分烧结来制造。陶瓷膜载体的水渗透性和机械强度之间的权衡可以通过孔结构和界面的组合调节充分解决。

2、因此，本专利技术提供一种制造用于形成陶瓷载体的陶瓷油膏的方法，其包括：

3、a)混合陶瓷粉末、粘土粉末和粘合剂以形成混合物；

4、b)在水性或非水性介质和湿润剂中捏合步骤(a)中的混合物以形成陶瓷油膏；以及

5、c)将所述陶瓷油膏老化至少24小时；

6、其中所述陶瓷粉末在所述陶瓷油膏中占比为约70wt％至约80wt％；

7、其中所述粘土粉末在所述陶瓷油膏中占比为约5wt％％至约15wt％；以及

8、其中所述陶瓷粉末具有约5μm至约20μm的平均粒度。

9、有利地，粘土粉末如粘土纳米片在油膏中的引入有效地将所得多孔陶瓷载体的烧制温度降低到至少1200℃。

10、在一些实施方式中，陶瓷粉末选自氧化铝、sic、si3n4、硅酸盐、tio2或其组合。

11、在一些实施方式中，粘土粉末选自高岭土、白云石、煤矸石、蓝晶石、蒙皂石、伊利石、绿泥石、坡缕石(绿坡缕石)、海泡石或其组合。

12、在一些实施方式中，粘土粉末具有约0.05μm至约2μm的平均粒度。

13、在一些实施方式中，粘合剂是羧甲基纤维素(cmc)、聚乙烯醇(pva)、聚乙烯醇缩丁醛(pvb)、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)或其组合。

14、在一些实施方式中，粘合剂在陶瓷油膏中占比为约2wt％至约8wt％。

15、在一些实施方式中，在陶瓷油膏中溶剂占比为约5wt％至约20wt％。

16、在一些实施方式中，湿润剂是甘油、l－吡咯烷酮羧酸－na、多元醇或其组合。

17、在一些实施方式中，湿润剂在陶瓷油膏中占比为约0.1wt％至约1.5wt％。

18、在一些实施方式中，陶瓷油膏不含成孔剂。

19、在一些实施方式中，老化步骤在封闭环境中进行。

20、在一些实施方式中，该方法还包括步骤(d)(在步骤(c)之后)：挤出陶瓷油膏以形成陶瓷生坯体。

21、在一些实施方式中，该方法在步骤(d)之后还包括干燥陶瓷生胚体至少24小时的步骤。

22、在一些实施方式中，挤出的生坯体包括不对称多孔结构，所述不对称多孔结构具有与外表面相连本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种制造用于形成多孔陶瓷载体的陶瓷油膏的方法，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述陶瓷粉末选自氧化铝、SiC、Si3N4、硅酸盐、TiO2或其组合。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述粘土粉末选自高岭土、白云石、煤矸石、蓝晶石、蒙皂石、伊利石、绿泥石、坡缕石(绿坡缕石)、海泡石或其组合。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述粘土粉末具有约0.05μm至约2μm的平均粒度。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述粘合剂是羧甲基纤维素(CMC)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或其组合。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述粘合剂在所述陶瓷油膏中占比为约2wt％至约8wt％。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述溶剂在所述陶瓷油膏中占比为约5wt％至约20wt％。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述湿润剂为甘油、L－吡咯烷酮羧酸－Na、多元醇或其组合。