混維凹凸棒石基陶瓷膜支撐體的制備及性能研究*

雒建翔 藺有祥 陳天生 張永如

(1 白銀市平川陶瓷研究中心 甘肅 白銀 730913)(2 白銀市平川區第二中學 甘肅 白銀 730913)

陶瓷膜主要由分離膜、過渡層和支撐體組成,其中支撐體是陶瓷膜的骨架,對分離膜和過渡層起支撐作用,同時決定陶瓷膜的外觀及基礎性能,因此必須要有足夠的力學性能、良好的滲透性能和穩定的化學性質。無機陶瓷膜具有價格低廉、原料豐富、物理化學性能穩定的特點,能滿足復雜工況下的生產需求。[1]以硼砂和碳酸氫鈉為助熔劑,能顯著降低燒成溫度,大幅降低支撐體的燒結能耗。[2]

1.1 實驗原料

包括:凹凸棒石、硼砂、碳酸氫鈉、煤粉。其中凹凸棒石取自靖遠高灣為混維凹凸棒石[3～4],成分如表1所示,熱重分析如圖1所示;硼砂為格爾木德瑞化工有限公司的一等品,含量≥95%,執行標準是GB/T 537-20029;碳酸氫鈉為寧夏昊雪食品有限公司產品,含量≥99%,執行標準GB1886.2-2015;煤粉為大水頭煤礦的煙煤。

圖1 凹凸棒熱重分析

表1 凹凸棒成分

1 實驗

1.2 支撐體制備

以低品位混維凹凸棒石為骨料,硼砂、碳酸氫鈉為燒結助劑,煤粉為造孔劑,制備凹凸棒石基陶瓷膜支撐體。[5]按照一定質量比稱取物料,混合后加入球磨機中粉磨均化10 min,過篩,噴灑8%水增強成形性能。用電子天平稱取30 g物料,采用模壓成形工藝制成支撐體坯體,放置于馬弗爐中進行常壓燒結、保溫,隨爐冷卻至室溫后取出支撐體。[6]

1.3 支撐體性能測試與表征

采用三點抗彎測試測定抗折強度;采用壓汞法測定孔徑;采用阿基米德原理測定孔隙率;采用自制儀器測定純水通過量。

2 結果與討論

2.1 助熔劑對支撐體性能的影響

為在較低溫度下有較好的強度,在凹凸棒石中加入不同比例的硼砂和碳酸氫鈉作為助熔劑制備支撐體,經成型、干燥、燒結后支撐體強度和孔隙率如表2所示。支撐體的孔隙率隨著熔劑加入量的增加而減小,這是由于熔劑的熔融使得孔道封閉和支撐體收縮而使顆粒間的孔隙變小變少。支撐體的抗折強度隨著熔劑的增加先增加后減小,這是因為硼砂和碳酸氫鈉熔融后的液相均勻分布在支撐體,形成液相燒結,起到粘接劑的作用。當熔劑較少時,顆粒之間的連接較少。隨著熔劑增多,顆粒之間的連接增加。當熔劑較多時,燒結過程中形成的液相過多,導致顆粒之間接觸面積減少,使得顆粒間的作用力減弱,同時造成孔道堵塞,所以支撐體的強度和孔隙率都出現降低。

表2 助熔劑對支撐體性能的影響

2.2 造孔劑對支撐體性能的影響

為進一步探究造孔劑對支撐體性能的影響,添加12%、16%、20%、24%、28%的煤粉,混合研磨后制備支撐體坯體,在930℃下焙燒保溫3 h后得到支撐體,所得支撐體的性能如圖2所示。隨著煤粉的摻入量增加支撐體的孔隙率上升,這是因為煤粉增加導致支撐體內部空腔增大變多,顆粒之間空隙變多變大,使得孔隙率隨摻入量升高。同時支撐體內部空腔的增大變多,減少了固相截面積,使得顆粒之間的有效連接減少,導致實際應力增大;另外由于不規則的氣孔引起應力集中,導致支撐體機械強度下降。

圖2 造孔劑對支撐體性能的影響

2.3 溫度對支撐體性能的影響

為了進一步探究溫度對支撐體性能的影響,分別在890℃、910℃、920℃、930℃、940℃、950℃的 溫度下燒結,燒結后的情況如圖3所示。在溫度較低時孔隙率高但強度低,這是由于液相較少,支撐體內部空隙較多,且有效的頸部連接較少。隨著溫度上升液相增多,支撐體的強度升高孔隙率降低。強度在930～940℃區間時達到峰值,之后溫度繼續升高,支撐體的強度和孔隙率都隨著溫度的升高而降低。這是由于液相過多而包裹顆粒表面,顆粒之間的接觸面積減少,作用力減弱,導致支撐體的強度出現下降。同時由于液相過多導致孔道封閉,支撐體的收縮變大,導致孔隙率的降低。

圖3 燒結溫度對支撐體性能的影響

2.4 保溫時間對支撐體性能的影響

保溫時間也是影響支撐體性能的重要因素[7],為進一步探究保溫時間對支撐體性能的影響,分別保溫1 h、2 h、3 h、4 h。支撐體不同保溫時間的性能如圖4所示。隨著保溫時間的延長,支撐體的強度增加,孔隙率降低。

圖4 保溫時間對支撐體性能的影響

這是因為隨著保溫時間的增加,支撐體的液相增加,有效頸部連接增多。當保溫時間到3 h時,支撐體的強度達到峰值而之后開始降低,支撐體的孔隙率也開始趨于穩定。這因為長時間的高溫讓液相隨著重力流動,使部分連接斷裂,導致強度的降低,但是因為液相量的總量變化并不大,所以孔隙率并未再進一步降低而趨于穩定。

2.5 孔徑分析

支撐體的孔徑分布如圖5所示,其中支撐體孔徑在12.51μm 時峰值為18.22%,孔徑為6.59～13.95 μm 時孔徑體積占全部孔徑體積的78.6%,其平均孔徑為9.59μm,中值孔徑為9.35μm。

圖5 孔徑分布圖

實驗結果表明以高灣地區的低品位混維凹凸棒石為主要原料制作陶瓷膜支撐體,當凹凸棒石∶硼砂∶碳酸氫鈉∶煤粉=100∶8∶8∶24、燒結溫度為930℃、保溫時間為3 h時,支撐體的強度為21.34 MPa,孔隙率為40.93%,純水通過量為12.78 m3/(m2·h·MPa)。凹凸棒石基陶瓷膜支撐體具有較好的指標,能夠滿足正常需求。