氧化铝平板陶瓷膜的制备

王跃超 汪永清

（1 江苏省陶瓷研究所有限公司，宜兴214221；2 景德镇陶瓷大学，景德镇333000）

0 前 言

随着工业化的发展，水污染等问题日益严重，高效的膜法水处理技术需求越来越大。 平板陶瓷膜材料作为膜法水处理的核心元件， 与传统的有机膜材料相比，具有耐酸碱、耐高温、耐溶剂、耐生物侵蚀、通量大、刚性好等特点，使其在使用过程中具备寿命长、适用范围广、易于清洗再生、处理能力强等优点[1]。

平板陶瓷膜通常由支撑体、膜分离层组成。 支撑体通常采用挤出法和干压法等工艺进行成型， 在高温下烧制出多孔陶瓷支撑体。 膜分离层则可采用喷涂法、 浸渍法、 吸镀法等工艺在支撑体表面进行镀膜，最后经烧成制备出合格的平板陶瓷膜。 目前已开发出的陶瓷平板膜材质主要有氧化铝、碳化硅、莫来石、二氧化钛、氧化锆等。 其中，氧化铝质陶瓷平板膜具有原料来源广、综合性能优异、易于低温烧结、制造成本较低等优点[2]。

本文先以氧化铝（D50=7 μm）为骨料，采用挤出成型的方法制备出多孔氧化铝平板支撑体， 再以氧化铝微粉（D50=1 μm）与少量无机粘结剂为主要原料， 采用浸渍法和喷涂法两种镀膜工艺在氧化铝平板支撑体上制备氧化铝陶瓷平板膜，研究分散剂、固含量、镀膜工艺等对膜材料性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验原料（见表1）

1.2 氧化铝平板膜支撑体的制备

采用挤出成型法和固态粒子烧结法制备氧化铝陶瓷平板膜支撑体，以α-Al2O3为骨料，按比例加入结合剂、增塑剂和水；先用高速搅拌机混合均匀，放入真空练泥机中进行真空练泥，泥料经陈腐24 h～48 h 后，采用真空挤出成型机成型；经过干燥，最后在高温梭式窑中烧成， 烧成温度为1 350 ℃～1 450 ℃；烧好后，经表面预处理后烘干备用。

表1 试验原料及生产厂家

1.3 膜分离层的制备

以α-Al2O3微粉为主要原料，采用喷涂法或浸渍成型工艺制备膜分离层。 具体工艺如下：将氧化铝、无机粘结剂、分散剂、水及其它外加剂置于球磨机内混合，控制球磨2 h～3 h 后，将混合均匀的浆料通过浸渍法或喷涂法涂覆到处理好的载体上， 成型好的膜层经40 ℃干燥5 h～6 h 后， 再在60 ℃的温度下干燥5 h～6 h。 干燥好后，放入梭式窑中烧成，烧成温度控制在1 250 ℃～1 350 ℃之间。

1.4 性能测试

（1）浆料稳定性的测试。 采用统一规格的量筒(50 ml)，把浆料分别倒入相应的量筒中，然后分别在浆料静置了24 h、48 h 后分别观察各个量筒内浆料沉降的高度及清液的高度， 判断浆料的悬浮稳定性[3]。

（2）通过NDJ-9S 型旋转粘度计测定浆料的粘度（60 r/min）。

（3）采用GB/T 1967 多孔陶瓷孔道直径试验方法测量试样的平均孔径。[4]

（4）按照HY064-2002《管式陶瓷微孔滤膜测试方法》测试试样的纯水通量。[5]

（5）用SEM 观察样品的膜表面显微结构。

2 结论与分析

2.1 分散剂对膜浆料性能的影响

在试验中我们选用90 wt%的α-Al2O3(D50=1 μm)为骨料，加入10 wt%的无机结合剂，外加2%的粘结剂（CMC）和400 wt%的水。 混合均匀后，分别加入0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%的聚丙烯酸铵做分散剂， 研究聚丙烯酸铵添加量对浆料性能的影响（见表2）。

从表2 中可以看出，从样品1 到样品4，随着浆料中聚丙烯酸铵加入量的增多，浆料的粘度降低，稳定性逐渐提高；但从样品4 到样品6，随着聚丙烯酸铵加入量的增多，浆料的粘度略有升高，稳定性逐渐降低。

分析其原因：随着聚丙烯酸铵的加入，聚丙烯酸铵发生电离，并吸附于Al2O3颗粒表面，使Al2O3颗粒表面产生净电荷势。 从样品1 到样品4 随着聚丙烯酸铵加入量的提高，Al2O3颗粒表面包裹的电荷增加，颗粒表面净电荷势增大，颗粒间的斥力变大，浆料的分散性变好，浆料粘度降低，稳定性提高[6]；但随着聚丙烯酸铵的进一步增加， 过剩而游离的聚丙烯酸铵分子会在颗粒间形成桥架而导致絮凝， 使浆料的稳定性变差，粘度增大。

2.2 浆料固含量对膜性能的影响。

在试验中， 我们选用固含量浓度分别为10%、15%、20%、25%、30%和35%的浆料做镀膜液， 采用浸渍法在同种支撑体上进行镀膜， 在相同的条件下制备出不同的试样， 测试试样的平均孔径和纯水通量。 （见图1）

图1 不同固含量制备的试样对膜孔径、纯水通量的影响

从图1 中可以看出随着浆料固含量的提高，试样的平均孔径逐渐降低，纯水通量也逐渐降低。 分析其原因：浆料固含量低时，浸渍时支撑体上吸附的浆料较少，膜层厚度较薄，膜层中大孔径比例也相对较高，膜平均孔径相对较大，试样纯水通量较大；随着浆料固含量的提高，支撑体上吸附的浆料增加，膜层变厚，膜层中的大孔被覆盖的概率提高，膜层中大孔比例逐渐降低，膜平均孔径降低。 膜层厚度的增加和平均孔径的降低，也导致了试样的纯水通量降低。

表2 聚丙烯酸铵对浆料稳定性的影响

从图1 中可以看出，固含量超过20%以后，试样平均孔径与纯水通量降幅明显变缓。 分析其原因：随着固含量的进一步提高，膜层中颗粒堆积厚度增加，膜层中大孔基本被覆盖，孔径变化较小；另一方面由于浆料在支撑体上形成“滤饼”，导致支撑体吸附浆料能力变差，膜层厚度增加不明显，最终导致随固含量的增加，试样的平均孔径与纯水通量降幅变小。

2.3 镀膜工艺对膜性能的影响。

以90 wt%的α-Al2O3(1 μm)为骨料，加入10 wt%的无机结合剂，外加2%的粘结剂（CMC）和400 wt%的水混合均匀后，加入5%的分散剂制成浆料。 在相同的氧化铝平板膜支撑体上， 分别采用浸渍法和喷涂法制备膜层，通过吸浆时间和喷涂速度、次数等工艺的控制，确保膜层厚度基本相同，烘干后在相同的温度下烧成。测试样品的纯水通过量，用SEM 观察样品的表面显微结构，研究工艺对产品性能的影响。

表3 镀膜工艺对膜性能的影响

从表3 中可以看出， 与浸渍法制备的平板膜相比， 喷涂法制备出的膜平均孔径较大， 纯水通量较高。

图2 浸渍法制备的陶瓷平板膜SEM 图

图2 是采用浸渍法制备的氧化铝陶瓷平板膜的SEM。 从图2 中可以看出，片层状的氧化铝颗粒相互交织堆积，氧化铝颗粒粒度大小基本一致。 气孔主要来自于氧化铝颗粒间的孔隙， 颗粒之间的堆积相对紧密，图中未见明显大孔。

图3 为喷涂法制备的氧化铝陶瓷平板膜的SEM。 从图可以看出，氧化铝颗粒之间的堆积相对松散，颗粒间的间隙更大，这也是喷涂法制备的膜平均气孔更大、纯水通量更高的原因。 但从图3 中发现有许多可见大小不一且形状不规则的大孔， 分析其原因，可能是喷涂过程中，浆料在和空气接触的过程中产生了气泡，喷涂到支撑体上后，随着气泡的消失在膜体中形成不规则的大气孔。

图3 喷涂法制备的平板膜SEM 图

3 结 论

根据上述讨论我们得出以下结论：

（1）在膜浆料的制备过程中，聚丙烯酸铵的加入量控制在0.4%左右比较合适， 此时浆料的稳定性最好。

（2）镀膜液固含量的高低影响着膜的平均孔径和纯水通量。 通过实验，我们发现镀膜液的固含量控制在20%左右比较适宜， 此时的膜平均孔径相对较小而通量较大。

（3）在镀膜工艺的对比中，我们发现：浸渍法制备的膜结构相对紧密， 水通量相对较小， 但孔径均匀，无明显缺陷；喷涂法制备的陶瓷膜水通量较大，但易产生大孔等缺陷。