背景技術

在污水處理、固-液化工膜分離裝置中，起主要作用的是分離膜元件，它是膜分離技術的核心。多孔無機陶瓷膜元件具有聚合物有機分離膜所無法比擬的一些優點，如耐高溫；化學穩定性好，耐酸堿和生物腐蝕；機械強度高、耐壓耐磨；孔徑分布窄，分離精度高；可反復清洗再生，使用壽命長，在食品工業、生物工程、環境工程、化學工業、石油化工、治金工業等領域有著廣泛的應用。

無機陶瓷過濾膜元件主要是依據“篩分”效應進行分離。利用壓力差為推動力，在一定的孔徑范圍內，物質的顆粒(分子)直徑不同，則透過率不同，從而小顆粒可以通過，大顆粒物質被截留，實現了它們之間的分離。多孔陶瓷膜元件由多孔陶瓷膜支撐體、陶瓷過濾膜層(包括過渡層和分離層)三部分組成，其中支撐體為膜層提供足夠的機械強度，同時也具有較高的滲透率；陶瓷過濾膜層中過渡層是為了提高過濾精度和分離膜的附著力；分離層是實現物質分離的功能層。

目前國內膜過濾分離仍然是以有機膜為主。現有的無機陶瓷膜與有機膜相比，在使用中存在分離精度低、處理通量小、過濾阻力大、能耗高等問題。這主要是由于陶瓷支撐體、陶瓷過濾膜制備工藝的限制造成的。

目前對于無機陶瓷過濾膜元件僅停留在管狀膜的應用，但從過濾分離實用技術與陶瓷膜的阻塞、再生等方面考慮，管狀膜也有很大的局限性；而平板陶瓷過濾膜具有過濾阻力小、再生容易、不易阻塞的特點，日益受到重視，國內也開展了無多孔陶瓷平板膜的相關應用研究

發明內容

在于針對現有陶瓷制膜技術的不足，提供一種中空平板結構過濾陶瓷膜元件的制備方法，通過選取高活性的氫氧化鋁作為原料來降低制備陶瓷支撐體的燒結溫度；采用等離子噴涂技術在陶瓷多孔支撐體上地制備出滿足孔徑分布均勻、高通量、低過濾阻力的無機陶瓷過濾膜層，并且制得的過濾膜層不需要再次燒結，有效地降低了制備成本。

采用以下的技術方案:

一種中空平板結構過濾陶瓷膜元件制備方法，其特征在于所述過濾陶瓷膜元件制備方法包括以下步驟:

陶瓷膜支撐體制備

(1)原材料:所述陶瓷膜支撐體的陶瓷原料采用的是經600°C下煅燒后的氫氧化鋁，煅燒后其平均粒徑在3～5μm之間；

造孔劑選自淀粉、石墨粉或活性炭粉，平均粒徑在0.5～2μm之間；

坯體粘結劑選自阿拉伯樹膠、海藻酸鈉或黃糊精；

潤滑劑選自甘油或聚乙二醇400；

增塑劑采用聚丙烯酰胺，分子量為1200萬；

(2)制備工藝

①陶瓷泥料的制備

按比例將將煅燒氫氧化鋁70～90wt%、造孔劑5～15wt%、坯體粘結劑1～6wt%、增塑劑1～6wt%、潤滑劑1～5wt%、水2～20wt%，將原料混合均勻，倒入練泥機中進行練泥，最后放入密閉容器中陳腐20h～40h；

②坯體的制備

將陳腐好的泥料采用擠出成型，擠出溫度10～30°C，擠出壓力6～12MPa；

③坯體的干燥

將坯體放入40～50°C的烘箱中干燥2～12h，然后通過微波進一步干燥，干燥時間60～300s；

④坯體的燒結

將干燥好的坯體于1100～1300°C，保溫2～4h的燒成制度下進行燒結，制得中空結構過濾陶瓷膜支撐體。

表面過濾膜制備:

(1)噴涂原料:氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦、莫來石、堇青石中的一種，每種原料均包含平均粒徑D5tl為1μm和0.2μm的兩種粒度；

(2)制備工藝:

①粉末的干燥

分別將平均粒徑D5tl為1μm和D5tl為0.2μm的噴涂原料粉于120°C的烘箱中烘烤2h以去除水分，增加粉末流動性；

②陶瓷膜支撐體預熱

采用等離子噴槍對上述制得的陶瓷膜支撐體進行預熱，去除支撐體表面及內部的水分和濕氣；

③噴涂

將經過預處理的陶瓷膜支撐體固定在工作臺上，調整噴距為100mm，把烘干后的原料粉裝入送粉器中，依次打開主電源、直流電源、水冷器、氬氣及氫氣等開關進行噴涂。噴涂時，分別以D5tl為1μm和D5tl為0.2μm的原料粉制得厚度為80～120μm的陶瓷過渡層和厚度為30～50μm的分離層。

上述的中空平板結構過濾陶瓷膜元件制備方法，其特征在于:所制得的中空結構過濾陶瓷膜支撐體的孔隙率為40～50%，孔徑分布為0.5～2μπι。

上述的中空平板結構過濾陶瓷膜元件制備方法，其特征在于=D5tl為1μm的原料粉制得的陶瓷過渡層厚度為80～120μm，涂層孔隙率30～50%，孔徑分布為0.2～0.5μm；D5tl為0.2μm的原料粉制得的分離層厚度為30～50μm，涂層孔隙率30～50%，孔徑分布為0.05～0.1μm。

上述的過濾膜層制備方法，其特征在于:噴涂過程中控制噴槍移動速度為15～20cm/s，選用気氣為主氣，氫氣為輔氣，氮氣為送粉氣，主氣流量40～50L/m1n，輔氣流量4～5L/m1n，送粉速率30～60g/m1n，噴涂電壓40～80V，噴涂電流400～600A，火焰溫度為1800～3000°C。

提供上述任一方法制備的中空平板結構過濾陶瓷膜元件，其特征在于所述過濾陶瓷膜元件為中空薄板結構，具有方形的貫通孔道，膜元件厚度為7.5毫米，孔道壁厚為1.5毫米，方形孔尺寸為3.5X3.5毫米。

采用煅燒的氫氧化鋁為陶瓷支撐體的原料，由于通過煅燒改變其晶形，使其化學性能更加穩定，提高了其比表面積。在制備過程中，可在保證支撐體強度的前提下，大大降低燒結溫度；同時所得支撐體采用煅燒氫氧化鋁，具有良好的化學穩定性，滿足陶瓷支撐體的要求。

所提供的等離子噴涂制備多孔陶瓷過濾膜層根據等離子噴涂的特點，該工藝可用來直接制備性能優良的氧化物涂層。在噴涂過程中，高速粒子對獲得致密的涂層起主要作用，但前提是粒子達到熔融狀態。為此，須確保粒子在火焰中停留時間足夠長，以使粒子達到熔融。在本發明中通過控制火焰中心溫度與氣流速度，降低氧化鋁粒子在焰流中的流速與停留時間，使氧化鋁陶瓷粒子到達氧化鋁支撐體基材前呈半熔融態。因此，氧化鋁粒子在陶瓷支撐體基材表面凝固收縮時，沒有多余的液相來補充縮孔，從而在氧化鋁陶瓷支撐體表面可形成具有連續孔洞的氧化鋁噴涂涂層。在這樣的氧化鋁涂層中，其孔隙是通過粒子的不完全重疊造成的，所形成的空隙孔徑大小分布均勻，可以滿足精密過濾的需要。

另外，由于等離子涂膜時噴涂氧化鋁粒子處于半熔化狀態，具有很大的熱能與動能，半熔融顆粒與基材之間以及被噴涂顆粒與已噴涂涂層顆粒之間，在接觸表面發生局部熔化而形成固溶體，產生粘結，導致膜層與基體之間結合非常緊密。因此，致使這種多孔的氧化鋁噴涂涂層與氧化鋁陶瓷支撐體基材間結合強度高，不易剝落。