黃土陶瓷膜支撐體的制備及性能研究

黃土陶瓷膜支撐體的制備及性能研究

1燒結(jié)助劑的用量及用量由于其節(jié)能、環(huán)保、高效，該膜技術(shù)已成為解決21世紀(jì)污染、綠色植物、廢水等問(wèn)題的新技術(shù)。對(duì)于以洛川黃土為骨料制備支撐體而言，由于它的燒結(jié)溫度過(guò)高耗費(fèi)了大量的能源，對(duì)生產(chǎn)十分不利。研究發(fā)現(xiàn)，向粉體中加入適量的燒結(jié)助劑促使在較低溫度下產(chǎn)生液相能夠有效的降低黃土陶瓷膜的燒結(jié)溫度。因此，與其他方法對(duì)比，燒結(jié)助劑具有成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)在大多數(shù)研究者對(duì)支撐體的制備主要集中在造孔劑的種類和添加量，對(duì)加入燒結(jié)助劑后燒結(jié)溫度變化方面很少有人提到。本研究以黃土陶瓷膜支撐體為研究對(duì)象，十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)為高溫下的燒結(jié)助劑，通過(guò)添加燒結(jié)助劑SDBS來(lái)制備廉價(jià)易得、性能好的無(wú)機(jī)陶瓷膜支撐體2實(shí)驗(yàn)2.1特效藥洛川黃土，陜西洛川黃土地質(zhì)公園;十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)，分析純(天津市大茂化學(xué)試劑廠);蒸餾水(實(shí)驗(yàn)室自制)。2.2標(biāo)準(zhǔn)篩具廠和儀器恒溫恒濕培養(yǎng)箱(LHS-150CL)，上海齊欣科學(xué)儀器有限公司;箱式電阻爐(SR1X-4-13)，北京科偉永興儀器有限公司;200目篩子，浙江上虞市金鼎標(biāo)準(zhǔn)篩具廠;電子天平(ESJ120-4型)，沈陽(yáng)龍騰電子有限公司;恒溫水浴鍋(HH-6)，常州德歐儀器制造有限公司;熱重-差熱同步分析儀(STA7000Series)，日立公司;掃描電子顯微鏡(Inspect)，美國(guó)FEI;X-射線衍射儀(D8ADVANCE);電動(dòng)攪拌器(JJ-1)，常州國(guó)華電器有限責(zé)任公司;壓汞儀(AutoPoreIV9500);酸堿腐蝕設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室自制;純水通量設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室自制。2.3濕胚的制備、干燥、保溫本實(shí)驗(yàn)主要以黃土為骨料，十二烷基苯磺酸鈉為燒結(jié)助劑，利用滾壓成型法來(lái)制備黃土基無(wú)機(jī)陶瓷膜支撐體。具體步驟如下:先將黃土用研缽研磨，通過(guò)200目的篩子對(duì)黃土進(jìn)行篩分;預(yù)處理后的黃土、十二烷基苯磺酸鈉、蒸餾水按一定配比混合，用玻璃棒攪拌至均勻;然后用精密增力電動(dòng)攪拌器設(shè)定一個(gè)穩(wěn)定的速度繼續(xù)攪拌1h使粉料混勻;再將燒杯置于電子恒溫水浴鍋(保持80～90℃)中加熱攪拌1h，蒸發(fā)掉多余的水分;然后置于25℃的生化培養(yǎng)箱中陳化24h;將煉好的塑性泥料均分稱重，制得一定內(nèi)徑、壁厚、長(zhǎng)度的濕胚，將成型的支撐體置于室溫干燥48h脫除坯體中的水分;將干燥好的支撐體放入馬弗爐中設(shè)置一定的溫度通過(guò)程序升溫，然后在各階段保溫;最終將冷卻好的支撐體冷卻完成后拿出爐制備成功的樣品。2.4數(shù)據(jù)分析與研究方法本實(shí)驗(yàn)支撐體的性能選取TG-DTG分析、純水通量、機(jī)械強(qiáng)度、孔隙率、酸/堿腐蝕、表觀形貌及物相結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。本實(shí)驗(yàn)支撐體的熱重分析使用STA7300型熱重-差熱同步分析儀;純水通量用自制內(nèi)抽式裝置進(jìn)行測(cè)定;孔徑分布、孔隙率分析使用AutoPoreIV9500壓汞儀;抗折強(qiáng)度根據(jù)GB/T2833—1996用三點(diǎn)彎曲法對(duì)其彎曲度進(jìn)行測(cè)定;酸堿腐蝕用自制設(shè)備測(cè)定;表觀形貌用美國(guó)FEI公司的Inspect型掃描電子顯微鏡觀察支撐體的微觀結(jié)構(gòu);物相分析用布魯克公司的D8ADVANCE型X-射線衍射儀。3無(wú)機(jī)陶瓷膜支撐體的燒結(jié)溫度的確定為了獲得性能良好的支撐體成品，本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)1050℃、1060℃、1070℃、1080℃、1090℃進(jìn)行了對(duì)比分析，選出本實(shí)驗(yàn)性能最佳的無(wú)機(jī)陶瓷膜支撐體的燒結(jié)溫度。3.1中溫分解階段由圖1可知室溫～300℃為支撐體低溫脫附自由水、結(jié)合水階段，主要是高溫下支撐體成型塑坯干燥，蒸發(fā)內(nèi)部水分、低沸點(diǎn)有機(jī)物等。根據(jù)熱重曲線圖分析可知，支撐體塑坯重量損失為2.1%，此時(shí)設(shè)置程序?yàn)?℃/min的升溫速率，并在300℃處恒溫2h;300～800℃為中溫分解階段，在300～500℃段內(nèi)支撐體的失重率較大約為3.16%，這個(gè)階段是支撐體試樣內(nèi)各種有機(jī)物質(zhì)分解和除雜的延續(xù)，在500℃處的小吸熱峰是石英α→β晶型轉(zhuǎn)變，采用1℃/min較為緩慢的升溫速率，并在500℃處恒溫2h，保證方解石的分解，并制造一定數(shù)量、大小的氣孔，以免對(duì)后期燒結(jié)造成影響;在500～800℃，雜質(zhì)反應(yīng)完全，SDBS逐漸分解，從700℃開始SDBS分解形成Na3.2燒結(jié)溫度對(duì)sdbs/黃土成分的影響圖2是不同溫度下支撐體純水通量的變化趨勢(shì)。在1050～1060℃時(shí)，由于燒結(jié)溫度過(guò)低，純水通量呈緩慢遞減趨勢(shì);在1060～1070℃時(shí)，純水通量明顯增加，結(jié)合SEM圖分析可知，因?yàn)闊Y(jié)溫度升高，SDBS與黃土成分的反應(yīng)更加充分孔隙率增加，所以純水通量增加;在1070～1080℃時(shí)，純水通量緩慢減少，由分析SEM圖可知試樣表面變得粗糙，顆粒排列不均勻，且開始有塊狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn);在1080～1090℃時(shí)，純水通量急劇減小是因?yàn)闊Y(jié)溫度過(guò)高，支撐體表面的液相越來(lái)越明顯，顆粒堆積部分孔隙后純水通量急劇減小。綜上所述，純水通量的變化整體表現(xiàn)出一定的波動(dòng)性，純水通量在1070℃時(shí)出現(xiàn)最大值為1943.70L/(m3.3燒結(jié)溫度對(duì)支撐體xrd圖的影響圖3是不同燒結(jié)溫度對(duì)支撐體抗折強(qiáng)度和孔隙率的影響。當(dāng)溫度在1050～1060℃時(shí)，支撐體的抗折強(qiáng)度、孔隙率變化緩慢。主要由于燒結(jié)溫度低，SDBS與黃土之間燒結(jié)顆粒不均勻，結(jié)合SEM圖分析可知支撐體表面十分粗糙，顆粒形狀不規(guī)則、尺寸大小不一致;當(dāng)溫度在1070℃時(shí)，隨著燒結(jié)溫度的升高孔隙率、抗折強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，結(jié)合支撐體XRD圖分析可知出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)闊Y(jié)過(guò)程中SDBS與骨料黃土反應(yīng)，燒結(jié)溫度適宜，晶粒分布均勻，生成多孔性的斜方鈣沸石。所以，孔隙率增加，純水通量變大;當(dāng)溫度1080℃時(shí)，隨著燒結(jié)過(guò)程的進(jìn)行，SDBS與骨料反應(yīng)生成新物質(zhì)堵塞部分氣孔，所以孔隙率不斷降低，抗折強(qiáng)度增加;當(dāng)溫度1090℃時(shí)其抗折強(qiáng)度高達(dá)68.91MPa，這是因?yàn)?090℃時(shí)由于燒結(jié)溫度過(guò)高導(dǎo)致晶相液化覆蓋了支撐體表面的孔隙，從而使得支撐體的抗折強(qiáng)度有一個(gè)大幅度的提升。綜合分析，當(dāng)燒結(jié)溫度為1070℃時(shí)，支撐體的抗折強(qiáng)度37.83MPa，孔隙率20.65%最佳。3.4性條件下保險(xiǎn)由圖4可知溫度在1050～1090℃之間變化支撐體的質(zhì)量損失也發(fā)生改變，達(dá)到一個(gè)臨界溫度后再隨著溫度的升高而遞減，且在酸/堿性條件下走勢(shì)大致一致。在酸性條件下，當(dāng)燒結(jié)溫度為1070℃時(shí)，支撐體的酸腐蝕率最高為0.340%;當(dāng)燒結(jié)溫度為1090℃時(shí)，支撐體的酸腐蝕率最低為0.180%。在堿性條件下，當(dāng)燒結(jié)溫度為1070℃時(shí)，支撐體的堿腐蝕率最高為0.195%;當(dāng)燒結(jié)溫度為1050℃時(shí)，支撐體的堿腐蝕率最低為0.054%。綜合來(lái)看，當(dāng)燒結(jié)溫度為1050℃時(shí)，無(wú)論在酸性還是堿性條件下，支撐體都較為穩(wěn)定。3.5燒結(jié)溫度對(duì)珍珠云母和水鋁石的影響由圖5可以看出，當(dāng)添加了5%的SDBS時(shí)，支撐體在不同燒結(jié)溫度下α-石英的衍射峰先升高再降低，在1070℃時(shí)達(dá)到最高。這說(shuō)明存在一個(gè)最佳的α-低溫石英的相轉(zhuǎn)變溫度，斜方鈣沸石相隨著燒結(jié)溫度的增加;在1080℃時(shí)斜方鈣沸石的衍射峰最低，說(shuō)明溫度的升高抑制了斜方鈣沸石的相轉(zhuǎn)變。結(jié)合SEM可知，在1090℃又升高的原因可能是溫度過(guò)高時(shí)支撐體表面液化顆粒原有的排列被打亂，導(dǎo)致在2θ=20.78°斜方鈣沸石相的含量增加，隨著燒結(jié)溫度的增加，珍珠云母和水鋁石的晶相含量并沒有出現(xiàn)明顯的增減變化。所以在該燒結(jié)溫度范圍內(nèi)，溫度并沒有達(dá)到珍珠云母和水鋁石的相轉(zhuǎn)變溫度。綜上所述當(dāng)燒結(jié)溫度為1070℃時(shí)，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)卡片庫(kù)，α-低溫石英和斜方鈣沸石的衍射峰強(qiáng)度最強(qiáng)、峰型尖銳，說(shuō)明支撐體中的晶粒不斷長(zhǎng)大，結(jié)晶度升高，晶型逐漸趨于完整。3.6燒結(jié)溫度對(duì)支撐體表面的影響圖6是添加5%SDBS的支撐體在不同燒結(jié)溫度下的SEM圖。從(a)可以看出燒結(jié)溫度為1060℃時(shí)，支撐體表面粗糙、顆粒分布不均勻、粒徑尺寸較大，這可能是由于燒結(jié)溫度過(guò)低，SDBS與黃土燒結(jié)不均勻所致;從(b)中可以看出燒結(jié)溫度為1070℃時(shí)，支撐體表面光滑、顆粒分布均勻、大小均一、粒徑尺寸適中，被遮掩的氣孔被暴露出來(lái);從(c)可以看出支撐體表面又開始變得粗糙、出現(xiàn)了塊狀結(jié)構(gòu)，這是由于燒結(jié)溫度較高，接近顆粒液化所需溫度，晶粒迅速長(zhǎng)大而成為大晶粒，斜方鈣沸石相含量減少，氣孔量減少;從(d)可以看出支撐體表面粗糙，表面的液相越來(lái)越明顯，這可能是因?yàn)闊Y(jié)溫度過(guò)高，液相填補(bǔ)了支撐體表面由于顆粒堆積出現(xiàn)的部分孔隙，使支撐體表面更加不均勻。綜合來(lái)看，隨著燒結(jié)溫度的升高，支撐體表面由粗糙變得光滑再逐漸粗糙，這說(shuō)明了燒結(jié)溫度對(duì)支撐體的影響很大，存在一個(gè)最佳的溫度使得支撐體性能相對(duì)最佳。3.7孔徑分布對(duì)無(wú)機(jī)陶瓷膜支撐體的制備效果由圖7分析可知，十二烷基苯磺酸鈉添加量為5%、燒結(jié)溫度1070℃下，支撐體的中值孔徑為6975.9nm，支撐體主峰的孔徑分布范圍為6869.0～7596.2nm，范圍比較寬。此時(shí)支撐體的機(jī)械強(qiáng)度明顯提高，從SEM圖可知孔徑分布適中、孔隙率好具備了無(wú)機(jī)陶瓷膜支撐體的制備要求。綜上所述，并且結(jié)合支撐體表征的物理、化學(xué)性能和SEM圖分析可知，選取的最佳燒結(jié)溫度為1070℃，此時(shí)它