專利名稱：高溫高壓無機過濾膜用多孔陶瓷載體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫高壓無機過濾膜用多孔陶瓷載體及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著能源問題的凸現(xiàn)，煤炭的綜合有效利用變得越來越重要。在煤炭的利用中，需要解決的一個關(guān)鍵問題是高溫過濾除塵技術(shù)，高溫陶瓷過濾膜被認為是解決這一問題最有效的途徑。在多孔陶瓷載體上覆蓋一層或多層膜，就形成了所謂的陶瓷過濾膜管。陶瓷膜具有耐高溫、耐腐蝕、耐沖刷、機械強度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不變形、壽命長等突出優(yōu)點，因而是被廣泛接受，并被稱譽為熱粒子過濾材料的最佳選擇。作為一類新型綠色科技的膜材料，高溫陶瓷過濾膜管比起高聚物膜有一系列的特點熱穩(wěn)定性好，化學穩(wěn)定性好，強度高，結(jié)構(gòu)造型穩(wěn)定，可進行酸堿或熱蒸汽清洗、高壓反沖等再生操作。然而由于無機陶瓷過濾膜質(zhì)脆、彈性小、易碎，因此必須將它們附著在具有一定機械強度的基體(載體)上使用。因而作為載體就必須具有良好的孔隙率、機械強度、化學惰性、與頂膜有良好的結(jié)合性、在高溫高壓和強腐蝕環(huán)境下不易與頂膜脫裂。所以從某種程度上說，載體的選擇和制備是高溫陶瓷過濾膜研究的基礎(chǔ)。由于碳化硅多孔陶瓷具有膨脹系數(shù)低、抗熱震性好、高溫下良好的機械和化學穩(wěn)定性等特點，其作為無機過濾膜的載體被廣泛應(yīng)用在催化劑載體以及氣固分離和熔融金屬的分離過濾方面。所以碳化硅多孔陶瓷就成為高溫陶瓷過濾膜管載體的首選材料。制備無機過濾膜用多孔碳化硅陶瓷載體，國內(nèi)外目前通常采用擠制成型的手段。對于尺寸較短的載體，這樣的成型方法不失為一種理想的選擇；但對于長度有一定要求的載體，這種方法就出現(xiàn)了局限性。首先，擠制制品在燒成過程中，由于長度的原因，經(jīng)常出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，導致成品率很低；其次，由于不能保證通體原料的一致性，所以即使在載體燒成沒有出現(xiàn)斷裂的情況下，也無法保證整體機械強度的一致性，而無法滿足較長時間使用的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在高溫高壓使用環(huán)境下、具有理想的化學穩(wěn)定性、強度和適宜的孔徑分布、孔隙率的無機過濾膜用多孔陶瓷載體及其制備方法。本發(fā)明所提供的多孔碳化硅陶瓷載體由主料碳化硅、輔料結(jié)合劑和造孔劑制成，其中，所述碳化硅和結(jié)合劑的質(zhì)量比為80 90 10 20，所述造孔劑的體積分數(shù)為所述碳化娃、結(jié)合劑和造孔劑體積之和的35 45%。其中，所述主料碳化硅為精細粒徑分級的碳化硅，其平均粒徑可為250 300 μ m。該精細粒徑分級的碳化硅主料具體可通過下述方法制備得到將一定粒徑(250 300 μ m) SiC粉料倒入陶瓷缸體內(nèi)，先經(jīng)過H2SO4充分酸洗，再經(jīng)過NaOH充分堿洗，在100 20(TC完全干燥，經(jīng)嚴格篩選分級制備成所需顆粒粒徑等級的碳化硅主料。所述結(jié)合劑具體可由粘土、高嶺土及長石等物相組成，其中，粘土、高嶺土及長石的質(zhì)量比依次為4 8 4 8 2 4。所述造孔劑具體可為平均粒徑為60 100 μ m、含量高于90%的下述物質(zhì)活性碳、紫木節(jié)或焦炭粉。本發(fā)明的多孔碳化硅陶瓷載體的制備方法，包括下述步驟I)在碳化硅粉末中加入結(jié)合劑和造孔劑，配成混合粉體；向所述混合粉體中加入去離子水配成漿料；2)將步驟I)的漿料球磨混合后，經(jīng)噴霧干燥造粒或壓濾干燥后過60目篩得到粉體；將粉體采用真空熱鑄成型，制成坯體；
3)將坯體進行無壓燒結(jié)，冷卻后得所述多孔碳化硅陶瓷載體。其中，步驟3)中所述燒結(jié)在空氣氣氛中進行，所述燒結(jié)的溫度為1250 1350°C，保溫時間2 4小時。步驟I)中所述混合粉體與去離子水的配比為I : I. 5 2.0。步驟2)中所述球磨的時間為12 24小時。由于本發(fā)明經(jīng)過碳化硅原料的精細粒徑分級形成主料，利用特種工藝添加結(jié)合劑和造孔劑，并采用獨特的真空熱鑄成型等技術(shù)，能極大提高多孔載體的強度及孔隙率。所制備的碳化硅多孔陶瓷具有抗熱震性好、膨脹系數(shù)低、在高溫高壓下具有良好的機械和化學穩(wěn)定性等優(yōu)異綜合性能。在這種多孔碳化硅支撐材料上制備的無機過濾膜具有孔隙率高、硬度高、耐磨且工作過程中不發(fā)生化學變化等特點，因而從材質(zhì)上降低了無機過濾膜在使用過程中出現(xiàn)的由于高溫磨損、硬度下降、脆性大而導致失效的幾率，提高了無機過濾膜的使用壽命和使用效果。此外采用無壓燒結(jié)方法同時提高了多孔陶瓷載體的生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明，但本發(fā)明并不局限于此。下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。下述實施例中所用的精細粒徑分級碳化硅主料按照下述方法進行制備將一定粒徑(250 300 μ m) SiC粉料倒入陶瓷缸體內(nèi)，先經(jīng)過H2SO4充分酸洗，再經(jīng)過NaOH充分堿洗，在100 20(TC完全干燥，經(jīng)嚴格篩選分級制備成平均粒徑為250 300 μ m不同顆粒等級的碳化娃主料。實施例一將88克平均粒徑為280 μ m碳化硅主料，12克結(jié)合劑(粘土 5g、高嶺土 4g、長石3g)和體積分數(shù)40%的活性碳(平均粒徑90 μ m)混合，倒入200ml去離子水中進行球磨24小時，漿料在噴霧干燥塔中造粒。按實際所需稱取相應(yīng)重量的粉料，通過真空熱鑄到鋼制模具中，加壓、冷卻，制成圓筒型坯體。坯體放入爐內(nèi)帶有埋粉的剛玉坩鍋中，于空氣氣氛下，在1300°C保溫4h的條件下燒成，隨爐自然冷卻，得到多孔碳化硅陶瓷載體。測試結(jié)果制備的SiC多孔陶瓷載體的孔隙率為43%，平均孔徑是55 μ m，抗壓強度達到28MPa。完全能夠保證高溫高壓使用條件下對載體的要求。其中，孔隙率參照GB/T 1966-1996標準中的測試方法；抗壓強度參照GB/T1964-1996標準中的測試方法實施例二 將80克平均粒徑為250 μ m碳化硅主料，20克結(jié)合劑(粘土 8g、高嶺土 8g、長石4g)和體積分數(shù)35%紫木節(jié)(平均粒徑100 μ m)混合,倒入180ml去離子水中進行球磨12小時，漿料在噴霧干燥塔中造粒。按實際所需稱取相應(yīng)重量的粉料，通過真空熱鑄到鋼制模具中，加壓、冷卻，制成圓筒型坯體。坯體放入爐內(nèi)帶有埋粉的剛玉坩鍋中，于空氣氣氛下，在1250°C保溫3h的條件下燒成，隨爐自然冷卻，得到多孔碳化硅陶瓷載體。測試結(jié)果制備的SiC多孔陶瓷載體的孔隙率為45%，平均孔徑是57 μ m，抗壓強度達到23MPa。完全能夠保證高溫高壓使用條件下對載體的要求。實施例三將90克平均粒徑為300 μ m碳化硅主料，10克結(jié)合劑(粘土 4g、高嶺土 3g、長石3g)和體積分數(shù)42%焦炭粉(平均粒徑60 μ m)混合，倒入220ml去離子水中進行球磨16小時，漿料通過壓濾干燥后過60目篩。按實際所需稱取相應(yīng)重量的粉料，通過真空熱鑄到鋼制模具中，加壓、冷卻，制成圓筒型坯體。坯體放入爐內(nèi)帶有埋粉的剛玉坩鍋中，于空氣氣氛下，在1350°C保溫2h的條件下燒成，隨爐自然冷卻，得到多孔碳化硅陶瓷載體。測試結(jié)果制備的SiC多孔陶瓷載體的孔隙率為38%，平均孔徑是46 μ m,抗壓強度達到35MPa。完全能夠保證高溫高壓使用條件下對載體的要求。實施例四將83克平均粒徑為270 μ m碳化硅主料，17克結(jié)合劑(粘土 8g、高嶺土 5g、長石4g)和體積分數(shù)43%活性碳(平均粒徑75 μ m)混合，倒入235ml去離子水中進行球磨20小時，漿料在噴霧干燥塔中造粒。按實際所需稱取相應(yīng)重量的粉料，通過真空熱鑄到鋼制模具中，加壓、冷卻，制成圓筒型坯體。坯體放入爐內(nèi)帶有埋粉的剛玉坩鍋中，于空氣氣氛下，在1320°C保溫4h的條件下燒成，隨爐自然冷卻，得到多孔碳化硅陶瓷載體。測試結(jié)果制備的SiC多孔陶瓷載體的孔隙率為46%，平均孔徑是53 μ m，強度達到26. 6MPa。完全能夠保證高溫高壓使用條件下對載體的要求。
權(quán)利要求
1.一種多孔碳化硅陶瓷載體，由碳化硅、結(jié)合劑和造孔劑制成，其中，所述碳化硅和結(jié)合劑的質(zhì)量比為80 90 10 20，所述造孔劑的體積分數(shù)為所述碳化硅、結(jié)合劑和造孔劑體積之和的35 45%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多孔碳化硅陶瓷載體，其特征在于所述碳化硅為精細粒徑分級的碳化硅，其平均粒徑為250 300 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的多孔碳化硅陶瓷載體，其特征在于所述結(jié)合劑由粘土、 高嶺土和長石組成；其中，粘土、高嶺土和長石的質(zhì)量比依次為4 8 4 8 2 4。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的多孔碳化硅陶瓷載體，其特征在于所述造孔劑為平均粒徑為60 100 μ m、含量高于90%的下述任意一種物質(zhì)活性碳、紫木節(jié)和焦炭粉。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的多孔碳化硅陶瓷載體，其特征在于所述多孔碳化硅陶瓷載體是按照包括下述步驟的方法制備得到的1)在所述碳化硅中加入所述結(jié)合劑和造孔劑，配成混合粉體；向所述混合粉體中加入去離子水配成漿料；2)將步驟I)的漿料球磨混合后，經(jīng)噴霧干燥造?；驂簽V干燥后過60目篩得到粉體；將粉體采用真空熱鑄成型，制成坯體；3)將所述坯體進行無壓燒結(jié)，冷卻后得所述多孔碳化硅陶瓷載體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多孔碳化硅陶瓷載體，其特征在于步驟3)中所述燒結(jié)在空氣氣氛中進行，所述燒結(jié)的溫度為1250 1350°C，保溫時間2 4小時。
7.制備權(quán)利要求1-4中任一項所述的多孔碳化硅陶瓷載體的方法，包括下述步驟1)在所述碳化硅中加入所述結(jié)合劑和造孔劑，配成混合粉體；向所述混合粉體中加入去離子水配成漿料；2)將步驟I)的漿料球磨混合后，經(jīng)噴霧干燥造粒或壓濾干燥后過60目篩得到粉體；將粉體采用真空熱鑄成型，制成坯體；3)將所述坯體進行無壓燒結(jié)，冷卻后得所述多孔碳化硅陶瓷載體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于步驟3)中所述燒結(jié)在空氣氣氛中進行，所述燒結(jié)的溫度為1250 1350°C，保溫時間2 4小時。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高溫高壓無機過濾膜用多孔陶瓷載體及其制備方法。該多孔碳化硅陶瓷載體由碳化硅、結(jié)合劑和造孔劑制成，其中，碳化硅和結(jié)合劑的質(zhì)量比為80～90∶10～20，造孔劑的用量為所述碳化硅、結(jié)合劑和造孔劑體積之和的35～45％。制備方法如下在碳化硅粉末中加入結(jié)合劑和造孔劑，球磨、干燥、真空熱鑄成型；將成型后的坯體進行無壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1250～1350℃，保溫時間2～4小時。由于本發(fā)明采用的原料經(jīng)精細粒徑分級而形成主料，利用特種工藝添加結(jié)合劑和造孔劑，并采用獨特的真空熱鑄成型等技術(shù)，能有效提高多孔載體的機械強度及孔隙率。所制備的碳化硅多孔陶瓷載體具有抗熱震性好、熱膨脹系數(shù)低、高溫高壓下良好的機械和化學穩(wěn)定性等優(yōu)異性能。
文檔編號C04B35/565GK102617179SQ201210103839
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月10日
發(fā)明者徐國民, 徐國良, 梁龍, 汪長安, 衷待群, 黃勇 申請人:清華大學