技术摘要：
本发明公开了一种平板陶瓷膜及其制备方法，包括陶瓷支撑体和膜层的制备。制备方法包括：形成支撑体；在所述支撑体上通过浸渍，形成分离膜层，其中，所述陶瓷支撑体和分离膜层的原料由两种或三种不同粒径的陶瓷粉体级配而成。优选的方案是使用平均粒径5μm、10μm的两种 全部
背景技术：
板陶瓷膜作为一种新型过滤材料被广泛应用。与有机膜相比，平板陶瓷膜具有分 离效率高、化学稳定性好、耐酸碱、耐高温、抗污染、机械强度高、使用寿命长等诸多优点。其 中，微滤膜可应用于复杂的水体处理，超滤膜及纳滤膜可应用于医药及食品行业的分离与 浓缩。 平板陶瓷膜主要是依据筛分效应进行分离。利用内吸的方式使平板陶瓷膜的内部 腔体形成负压，陶瓷膜内外两侧形成压力差，为平板陶瓷膜的分离作用提供推动力；平板陶 瓷膜具有一定的孔径范围，物质的粒径不同，则透过率不同，小颗粒可以通过膜层，大颗粒 被截留，从而实现物质颗粒大小的分离。 由于平板陶瓷膜自身的优越性能，引来国内外众多企业的瞩目，目前国内的陶瓷 膜生产企业犹如雨后春笋，产品的规格也是应有尽有。但是商品化的多孔陶瓷膜绝大多数 为多层非对称结构，由多孔陶瓷膜支撑体、过渡层、分离层三部分组成。支撑体为膜层提供 机械强度，过渡层是为了提高过滤精度和分离层的附着力，分离层是物质分离的功能层。例 如，Tsuru等在平均孔径1μm的Al2O3支撑体上，以ZrO2溶胶作为粘结剂，进行Al2O3微滤膜过渡 层的涂覆，以减少Al2O3层与ZrO2材料间热膨胀性能的差异，继续在其上涂覆ZrO2膜层，制得 超滤膜。Qi等用平均粒径1.1μm的Al2O3粉体制备支撑体，在该支撑体上通过TiO2膜的过渡， 最终制备了高性能γ-Al2O3膜。 通过对现有市场上商品化的平板陶瓷膜及现有文献的综合分析，发现以下不足： 其一，由于制备工艺问题，现有支撑体孔径没有被控制，孔径分布很宽(图1是一个现有的平 板陶瓷膜的截面照片，图2是该平板陶瓷膜支撑体的孔径分布)；为提高过滤精度和分离层 的附着力，往往需要在支撑体和分离层之间设计过渡层；但过渡层的存在不仅增加了膜层 的厚度，而且增大了过滤过程中的阻力，水处理成本增高。同时，过渡层增加了平板陶瓷膜 的制备工序，致使缺陷率增加，生产周期延长，生产能耗增大，产品成本提高。
技术实现要素：
为克服上述技术的不足，本发明提供了一种平板陶瓷膜的配方及其制备工艺，包 括陶瓷支撑体及其制备方法和分离膜层及其制备方法。依据本发明技术方案制备出的陶瓷 支撑体，孔径分布均一，平均孔径范围为0.2～0.5μm，其自身可作为一种过滤元件。采用平 均粒径为0.1～5μm，两种及以上类球形陶瓷粉体，通过颗粒级配，制备膜层浆料，无需过渡 层，即可制备平均孔径小于0.1μm的平板陶瓷膜。 本发明提供的陶瓷支撑体及其制备方法，其配方组成为： 4 CN 111545078 A 说 明 书 2/7 页 根据本发明的另一实施方式，所述陶瓷支撑体配方组成中类球形陶瓷粉体粉是通 过机械筛分法筛分的平均粒径5μm和10μm的两种类球形陶瓷粉体按比例复配而成，其质量 比符合：m(5)：m(10)＝1:10～10:1。通过两种粉体的颗粒级配调整陶瓷支撑体的孔径大小，其 孔径分布可控制在0.2～0.5μm。 根据本发明的另一实施方式，所述陶瓷支撑体用类球形陶瓷粉体是通过多级机械 筛分方式获得的，其粒径分布符合如下公式： 且所述两种陶瓷支撑体用 类球形陶瓷粉体平均粒径为5μm和10μm。 根据本发明的另一实施方式，所述陶瓷支撑体配方中所用烧结助剂为水洗高岭 土、煅烧滑石中的一种或两种。优选地，生高岭土与煅烧滑石中的一种，其用量为2～4重量 份。 根据本发明的另一实施方式，所述陶瓷支撑体配方中所用淀粉造孔剂为玉米淀 粉、土豆淀粉、改性木薯淀粉中的一种；优选地，其用量为4～6重量份。 根据本发明的另一实施方式，所述陶瓷支撑体配方中粘结剂为白色粒状羟丙基甲 基纤维素(HPMC)，其用量为1.5～2.5重量份，其粘度范围为36000～45000mPa·S，其粒度要 求100目筛余小于0.5％。保持该粒度要求可以避免大颗粒杂质进入，破坏支撑体生坯的完 整性。 根据本发明的另一实施方式，所述陶瓷支撑体配方组成中润滑剂为聚丙烯酰胺、 聚氧化乙烯、聚乙二醇中的一种或多种，其用量为0.0005～0.001重量份。 根据本发明的另一实施方式，所述陶瓷支撑体采用蜂窝陶瓷成型工艺制备：级配 后类球形陶瓷粉体、烧结助剂、淀粉造孔剂、粘结剂充分混合后成混合料a；水溶性润滑剂溶 于相应质量份水中配制成水溶液b；将混合料a和水溶液b经捏合机捏合、练泥机粗炼，形成 可塑性泥料c；将泥料c陈腐24-48小时，然后真空练泥，制备真空泥段d；真空泥段经卧式连 续挤出机挤出成型、隧道式微波炉定型干燥、切割、吹灰、烧成，即得陶瓷支撑体。 本发明提供的陶瓷支撑体上分离膜层的制备方法，其配方组成为： 5 CN 111545078 A 说 明 书 3/7 页 根据本发明的另一实施方式，所述分离膜层中多级配类球形陶瓷粉体是指选用平 均粒径为0.1～5μm的类球形陶瓷粉体，采用两种或三种不同平均粒径的类球形陶瓷粉体复 配而成，可调整膜层孔径小于0.1μm。优选地，平均粒径0.6μm与平均粒径2μm的陶瓷粉体粉 复配，其质量比符合如下要求：m(0.6)：m(2)＝1:5～5:1。通过调节两种粉体的配比控制陶瓷分 离膜层的孔径大小。 根据本发明的另一实施方式，所述分离膜层配方组分中粘结剂为硅溶胶、铝溶胶、 磷酸二氢铝等无机粘结剂中的一种或多种。优选地，硅溶胶和磷酸二氢铝中的一种或两种， 其用量为1.5～3重量份。 根据本发明的另一实施方式，所述分离膜层配方中分散剂为聚丙烯酸铵、聚乙烯 醇和聚乙二醇中的一种或多种。优选地，聚丙烯酸铵或聚乙烯醇中的一种，其用量为0.5～ 1.5重量份。 根据本发明的另一实施方式，所述分离膜层配方中消泡剂为有机硅消泡剂、烷烃 类消泡剂和聚醚消泡剂中的一种。优选地，有机硅消泡剂和聚醚消泡剂中的一种，其用量为 1～3重量份。 根据本发明的另一实施方式，所述平板陶瓷膜分离层制备方法包括：将所述分离 层用原料球磨制浆，真空除泡，超声分散后备用；将陶瓷支撑体一端封装，采用真空浸渍涂 膜工艺涂膜；在湿度大于70％的环境中，经40℃～90℃干燥，然后在1000℃～1300℃烧结， 即可形成所述单膜层平板陶瓷膜。 本发明与现有技术相比： (1)本发明通过多级机械筛分方式获得例如平均粒径为5μm和10μm的陶瓷粉体粉， 其粒径分布符合如下要求： 将筛分后符合要求的5μm和10μm陶瓷粉体粉 以一定的比例混合，通过两种粉体的颗粒级配调整陶瓷支撑体的孔径大小； 更进一步，所述陶瓷支撑体平均孔径可控制在0.2～0.5μm，且孔径均一，可作为一 种过滤元件。 (2)选用平均粒径为0.1～5μm的陶瓷粉体粉，通过采用两种及以上不同平均粒径 的类球形陶瓷粉体复配而成，可调整分离膜层孔径大小小于0.1μm。 更进一步，无机粘结剂的引入避免了膜层在干燥和煅烧中的开裂现象，在无过渡 层的情况下，增强了分离层与支撑体的结合度。 通过该技术方案，本发明制备的平板陶瓷膜包含陶瓷支撑体和分离层两部分，省 去了过渡层的制备，缩短了平板陶瓷膜的生产周期，节约了原材料，减少了能源消耗，降低 了成本。 6 CN 111545078 A 说 明 书 4/7 页 本发明中，将粉体级配与原料配方相结合，最终获得了满意的平板陶瓷膜，不排除 协同效应的产生。 附图说明 图1是一个现有平板陶瓷膜的截面照片。 图2是图1所示平板陶瓷膜支撑体的孔径分布图。 图3是实施例1制备的陶瓷膜的支撑体的孔径分布图。 图4是实施例1制备的陶瓷膜的分离层的孔径分布图。 图5是实施例1制备的平板陶瓷膜的截图照片。 图6是实施例2制备的陶瓷膜的支撑体的孔径分布图。 图7是实施例2制备的陶瓷膜的分离层的孔径分布图。 图8是实施例2制备的平板陶瓷膜的截图照片。
本发明公开了一种平板陶瓷膜及其制备方法，包括陶瓷支撑体和膜层的制备。制备方法包括：形成支撑体；在所述支撑体上通过浸渍，形成分离膜层，其中，所述陶瓷支撑体和分离膜层的原料由两种或三种不同粒径的陶瓷粉体级配而成。优选的方案是使用平均粒径5μm、10μm的两种 全部
背景技术：
板陶瓷膜作为一种新型过滤材料被广泛应用。与有机膜相比，平板陶瓷膜具有分 离效率高、化学稳定性好、耐酸碱、耐高温、抗污染、机械强度高、使用寿命长等诸多优点。其 中，微滤膜可应用于复杂的水体处理，超滤膜及纳滤膜可应用于医药及食品行业的分离与 浓缩。 平板陶瓷膜主要是依据筛分效应进行分离。利用内吸的方式使平板陶瓷膜的内部 腔体形成负压，陶瓷膜内外两侧形成压力差，为平板陶瓷膜的分离作用提供推动力；平板陶 瓷膜具有一定的孔径范围，物质的粒径不同，则透过率不同，小颗粒可以通过膜层，大颗粒 被截留，从而实现物质颗粒大小的分离。 由于平板陶瓷膜自身的优越性能，引来国内外众多企业的瞩目，目前国内的陶瓷 膜生产企业犹如雨后春笋，产品的规格也是应有尽有。但是商品化的多孔陶瓷膜绝大多数 为多层非对称结构，由多孔陶瓷膜支撑体、过渡层、分离层三部分组成。支撑体为膜层提供 机械强度，过渡层是为了提高过滤精度和分离层的附着力，分离层是物质分离的功能层。例 如，Tsuru等在平均孔径1μm的Al2O3支撑体上，以ZrO2溶胶作为粘结剂，进行Al2O3微滤膜过渡 层的涂覆，以减少Al2O3层与ZrO2材料间热膨胀性能的差异，继续在其上涂覆ZrO2膜层，制得 超滤膜。Qi等用平均粒径1.1μm的Al2O3粉体制备支撑体，在该支撑体上通过TiO2膜的过渡， 最终制备了高性能γ-Al2O3膜。 通过对现有市场上商品化的平板陶瓷膜及现有文献的综合分析，发现以下不足： 其一，由于制备工艺问题，现有支撑体孔径没有被控制，孔径分布很宽(图1是一个现有的平 板陶瓷膜的截面照片，图2是该平板陶瓷膜支撑体的孔径分布)；为提高过滤精度和分离层 的附着力，往往需要在支撑体和分离层之间设计过渡层；但过渡层的存在不仅增加了膜层 的厚度，而且增大了过滤过程中的阻力，水处理成本增高。同时，过渡层增加了平板陶瓷膜 的制备工序，致使缺陷率增加，生产周期延长，生产能耗增大，产品成本提高。
技术实现要素：
为克服上述技术的不足，本发明提供了一种平板陶瓷膜的配方及其制备工艺，包 括陶瓷支撑体及其制备方法和分离膜层及其制备方法。依据本发明技术方案制备出的陶瓷 支撑体，孔径分布均一，平均孔径范围为0.2～0.5μm，其自身可作为一种过滤元件。采用平 均粒径为0.1～5μm，两种及以上类球形陶瓷粉体，通过颗粒级配，制备膜层浆料，无需过渡 层，即可制备平均孔径小于0.1μm的平板陶瓷膜。 本发明提供的陶瓷支撑体及其制备方法，其配方组成为： 4 CN 111545078 A 说 明 书 2/7 页 根据本发明的另一实施方式，所述陶瓷支撑体配方组成中类球形陶瓷粉体粉是通 过机械筛分法筛分的平均粒径5μm和10μm的两种类球形陶瓷粉体按比例复配而成，其质量 比符合：m(5)：m(10)＝1:10～10:1。通过两种粉体的颗粒级配调整陶瓷支撑体的孔径大小，其 孔径分布可控制在0.2～0.5μm。 根据本发明的另一实施方式，所述陶瓷支撑体用类球形陶瓷粉体是通过多级机械 筛分方式获得的，其粒径分布符合如下公式： 且所述两种陶瓷支撑体用 类球形陶瓷粉体平均粒径为5μm和10μm。 根据本发明的另一实施方式，所述陶瓷支撑体配方中所用烧结助剂为水洗高岭 土、煅烧滑石中的一种或两种。优选地，生高岭土与煅烧滑石中的一种，其用量为2～4重量 份。 根据本发明的另一实施方式，所述陶瓷支撑体配方中所用淀粉造孔剂为玉米淀 粉、土豆淀粉、改性木薯淀粉中的一种；优选地，其用量为4～6重量份。 根据本发明的另一实施方式，所述陶瓷支撑体配方中粘结剂为白色粒状羟丙基甲 基纤维素(HPMC)，其用量为1.5～2.5重量份，其粘度范围为36000～45000mPa·S，其粒度要 求100目筛余小于0.5％。保持该粒度要求可以避免大颗粒杂质进入，破坏支撑体生坯的完 整性。 根据本发明的另一实施方式，所述陶瓷支撑体配方组成中润滑剂为聚丙烯酰胺、 聚氧化乙烯、聚乙二醇中的一种或多种，其用量为0.0005～0.001重量份。 根据本发明的另一实施方式，所述陶瓷支撑体采用蜂窝陶瓷成型工艺制备：级配 后类球形陶瓷粉体、烧结助剂、淀粉造孔剂、粘结剂充分混合后成混合料a；水溶性润滑剂溶 于相应质量份水中配制成水溶液b；将混合料a和水溶液b经捏合机捏合、练泥机粗炼，形成 可塑性泥料c；将泥料c陈腐24-48小时，然后真空练泥，制备真空泥段d；真空泥段经卧式连 续挤出机挤出成型、隧道式微波炉定型干燥、切割、吹灰、烧成，即得陶瓷支撑体。 本发明提供的陶瓷支撑体上分离膜层的制备方法，其配方组成为： 5 CN 111545078 A 说 明 书 3/7 页 根据本发明的另一实施方式，所述分离膜层中多级配类球形陶瓷粉体是指选用平 均粒径为0.1～5μm的类球形陶瓷粉体，采用两种或三种不同平均粒径的类球形陶瓷粉体复 配而成，可调整膜层孔径小于0.1μm。优选地，平均粒径0.6μm与平均粒径2μm的陶瓷粉体粉 复配，其质量比符合如下要求：m(0.6)：m(2)＝1:5～5:1。通过调节两种粉体的配比控制陶瓷分 离膜层的孔径大小。 根据本发明的另一实施方式，所述分离膜层配方组分中粘结剂为硅溶胶、铝溶胶、 磷酸二氢铝等无机粘结剂中的一种或多种。优选地，硅溶胶和磷酸二氢铝中的一种或两种， 其用量为1.5～3重量份。 根据本发明的另一实施方式，所述分离膜层配方中分散剂为聚丙烯酸铵、聚乙烯 醇和聚乙二醇中的一种或多种。优选地，聚丙烯酸铵或聚乙烯醇中的一种，其用量为0.5～ 1.5重量份。 根据本发明的另一实施方式，所述分离膜层配方中消泡剂为有机硅消泡剂、烷烃 类消泡剂和聚醚消泡剂中的一种。优选地，有机硅消泡剂和聚醚消泡剂中的一种，其用量为 1～3重量份。 根据本发明的另一实施方式，所述平板陶瓷膜分离层制备方法包括：将所述分离 层用原料球磨制浆，真空除泡，超声分散后备用；将陶瓷支撑体一端封装，采用真空浸渍涂 膜工艺涂膜；在湿度大于70％的环境中，经40℃～90℃干燥，然后在1000℃～1300℃烧结， 即可形成所述单膜层平板陶瓷膜。 本发明与现有技术相比： (1)本发明通过多级机械筛分方式获得例如平均粒径为5μm和10μm的陶瓷粉体粉， 其粒径分布符合如下要求： 将筛分后符合要求的5μm和10μm陶瓷粉体粉 以一定的比例混合，通过两种粉体的颗粒级配调整陶瓷支撑体的孔径大小； 更进一步，所述陶瓷支撑体平均孔径可控制在0.2～0.5μm，且孔径均一，可作为一 种过滤元件。 (2)选用平均粒径为0.1～5μm的陶瓷粉体粉，通过采用两种及以上不同平均粒径 的类球形陶瓷粉体复配而成，可调整分离膜层孔径大小小于0.1μm。 更进一步，无机粘结剂的引入避免了膜层在干燥和煅烧中的开裂现象，在无过渡 层的情况下，增强了分离层与支撑体的结合度。 通过该技术方案，本发明制备的平板陶瓷膜包含陶瓷支撑体和分离层两部分，省 去了过渡层的制备，缩短了平板陶瓷膜的生产周期，节约了原材料，减少了能源消耗，降低 了成本。 6 CN 111545078 A 说 明 书 4/7 页 本发明中，将粉体级配与原料配方相结合，最终获得了满意的平板陶瓷膜，不排除 协同效应的产生。 附图说明 图1是一个现有平板陶瓷膜的截面照片。 图2是图1所示平板陶瓷膜支撑体的孔径分布图。 图3是实施例1制备的陶瓷膜的支撑体的孔径分布图。 图4是实施例1制备的陶瓷膜的分离层的孔径分布图。 图5是实施例1制备的平板陶瓷膜的截图照片。 图6是实施例2制备的陶瓷膜的支撑体的孔径分布图。 图7是实施例2制备的陶瓷膜的分离层的孔径分布图。 图8是实施例2制备的平板陶瓷膜的截图照片。
