背景技術(shù)
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(shù)的核心。多孔無機(jī)陶瓷膜元件具有聚合物有機(jī)分離膜所無法比擬的一些優(yōu)點(diǎn)，如耐高溫；化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸堿和生物腐蝕；機(jī)械強(qiáng)度高、耐壓耐磨；孔徑分布窄，分離精度高；可反復(fù)清洗再生，使用壽命長(zhǎng)，在食品工業(yè)、生物工程、環(huán)境工程、化學(xué)工業(yè)、石油化工、治金工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
無機(jī)陶瓷過濾膜元件主要是依據(jù)“篩分”效應(yīng)進(jìn)行分離。利用壓力差為推動(dòng)力，在一定的孔徑范圍內(nèi)，物質(zhì)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(zhì)被截留，實(shí)現(xiàn)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(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)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(shí)現(xiàn)物質(zhì)分離的功能層。
目前國(guó)內(nèi)膜過濾分離仍然是以有機(jī)膜為主。現(xiàn)有的無機(jī)陶瓷膜與有機(jī)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(duì)于無機(jī)陶瓷過濾膜元件僅停留在管狀膜的應(yīng)用，但從過濾分離實(shí)用技術(shù)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(diǎn)，日益受到重視，國(guó)內(nèi)也開展了無多孔陶瓷平板膜的相關(guān)應(yīng)用研究
發(fā)明內(nèi)容
在于針對(duì)現(xiàn)有陶瓷制膜技術(shù)的不足，提供一種中空平板結(jié)構(gòu)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(jié)溫度；采用等離子噴涂技術(shù)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(jī)陶瓷過濾膜層，并且制得的過濾膜層不需要再次燒結(jié)，有效地降低了制備成本。
采用以下的技術(shù)方案:
一種中空平板結(jié)構(gòu)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(jīng)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(jié)劑選自阿拉伯樹膠、海藻酸鈉或黃糊精；
潤(rùn)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(jié)劑1～6wt%、增塑劑1～6wt%、潤(rùn)滑劑1～5wt%、水2～20wt%，將原料混合均勻，倒入練泥機(jī)中進(jìn)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(jìn)一步干燥，干燥時(shí)間60～300s；
④坯體的燒結(jié)
將干燥好的坯體于1100～1300°C，保溫2～4h的燒成制度下進(jìn)行燒結(jié)，制得中空結(jié)構(gòu)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(dòng)性；
②陶瓷膜支撐體預(yù)熱
采用等離子噴槍對(duì)上述制得的陶瓷膜支撐體進(jìn)行預(yù)熱，去除支撐體表面及內(nèi)部的水分和濕氣；
③噴涂
將經(jīng)過預(yù)處理的陶瓷膜支撐體固定在工作臺(tái)上，調(diào)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(guān)進(jìn)行噴涂。噴涂時(shí)，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(jié)構(gòu)過濾陶瓷膜元件制備方法，其特征在于:所制得的中空結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dòng)速度為15～20cm/s，選用気氣為主氣，氫氣為輔氣，氮?dú)鉃樗头蹥猓鳉饬髁?0～50L/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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(xué)性能更加穩(wěn)定，提高了其比表面積。在制備過程中，可在保證支撐體強(qiáng)度的前提下，大大降低燒結(jié)溫度；同時(shí)所得支撐體采用煅燒氫氧化鋁，具有良好的化學(xué)穩(wěn)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(jù)等離子噴涂的特點(diǎn)，該工藝可用來直接制備性能優(yōu)良的氧化物涂層。在噴涂過程中，高速粒子對(duì)獲得致密的涂層起主要作用，但前提是粒子達(dá)到熔融狀態(tài)。為此，須確保粒子在火焰中停留時(shí)間足夠長(zhǎng)，以使粒子達(dá)到熔融。在本發(fā)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(shí)間，使氧化鋁陶瓷粒子到達(dá)氧化鋁支撐體基材前呈半熔融態(tài)。因此，氧化鋁粒子在陶瓷支撐體基材表面凝固收縮時(shí)，沒有多余的液相來補(bǔ)充縮孔，從而在氧化鋁陶瓷支撐體表面可形成具有連續(xù)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(shí)噴涂氧化鋁粒子處于半熔化狀態(tài)，具有很大的熱能與動(dòng)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(fā)生局部熔化而形成固溶體，產(chǎn)生粘結(jié)，導(dǎo)致膜層與基體之間結(jié)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(jié)合強(qiáng)度高，不易剝落。