一種碳化硅分離膜的制備方法技術

本發(fā)明專利技術涉及一種高性能碳化硅分離膜及其制備方法。按比例配制原料，其質(zhì)量百分比為碳化硅80?99?wt%，氧化鋯0.5?10?wt%，莫來石0.5?10?wt%。將原料加入0.5?3?wt%的分散溶液中，經(jīng)過攪拌、超聲、消泡、抽真空制備得到均勻無泡的涂膜液，涂膜液固含量為20?50?wt%。再通過噴涂的方法在支撐體上涂覆涂膜液，經(jīng)過干燥，高溫燒結制得碳化硅分離膜。本發(fā)明專利技術通過控制不同溫度段的燒結氣氛，從而控制碳化硅的氧化，使得生成的二氧化硅能和加入的氧化鋯等完全反應，最終制得高抗熱震性和高抗腐蝕性碳化硅分離膜。該分離膜具備分離精度高，過濾通量大等優(yōu)點，可用于工業(yè)尾氣凈化處理和廢水處理，在水泥、玻璃、冶金、能源等領域清潔生產(chǎn)中有廣泛的應用前景。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術屬于多孔陶瓷分離膜制備領域，涉及一種碳化硅分離膜及其制備方法。
技術介紹
碳化硅陶瓷材料具有高強度、高化學穩(wěn)定性、耐高溫、耐腐蝕、抗熱震性優(yōu)異等優(yōu)點，在高溫氣固分離、生物質(zhì)燃燒與分解、垃圾焚燒、水泥、冶金、玻璃，石油化工等領域有廣泛的應用。碳化硅中存在較強的Si-C共價性、在制備純質(zhì)碳化硅分離膜工藝中，燒結溫度一般高于2100 ℃，且在高純氬氣保護下以防止碳化硅發(fā)生氧化。這就造成制備成本較高，且制備出的碳化硅分離膜結構致密，孔隙率較低。為了在較低溫度下實現(xiàn)碳化硅分離膜的制備，必須改變碳化硅分離膜的燒結條件，一種是使用陶瓷前驅(qū)體如聚硅氧烷，聚碳硅烷在1000 ℃左右分解成SiC，制備的碳化硅分離膜分離精度高，孔隙率大，但是這種方法材料成本高，難以工業(yè)化生產(chǎn)。另一種是添加燒結助劑，通過燒結助劑在高溫下下形成連接相或者和碳化硅氧化生成的二氧化硅反應生成連接相，其中最為常用的有添加莫來石相和原位反應生成莫來石相。但高溫下分離層的碳化硅由于顆粒粒徑小，比表面積大，在有氧條件下氧化嚴重，氧化生成的二氧化硅在高溫下溢流到碳化硅顆粒頸部形成連接相，但SiO2熱膨脹系數(shù)和碳化硅相差較大，在高溫下容易產(chǎn)生裂紋。同時二氧化硅在高溫條件下容易受到腐蝕性氣體侵蝕。有關碳化硅分離膜膜的制備，國內(nèi)已經(jīng)開展了一些研究工作。中國專利技術專利CN103193513B通過以碳化硅等為膜層材料，鉀長石等為膜層粘結劑，丙三醇等為分散劑制備出可用于高溫煙氣過濾凈化的碳化硅陶瓷膜。中國專利技術專利CN105130441A通過以碳化硅等為膜層材料，硅粉等為燒結助劑，氧化鋯等為增韌助劑以提高碳化硅分離膜的韌性、強度和孔隙率。中國專利技術專利CN105126637通過在膜層材料中添加氧化鋯等少量納米級增韌助劑以提高碳化硅分離膜的韌性。但以上專利技術專利均未考慮在高溫制備過程中膜層碳化硅氧化生成的二氧化硅對于碳化硅分離膜高溫抗熱震性能以及抗腐蝕性能的影響。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術的目的在于提供一種碳化硅分離膜及其制備方法，以提高碳化硅分離膜的分離精度，高溫抗熱震性能以及抗腐蝕性能，可實現(xiàn)在苛刻的過濾環(huán)境，如火電廠，水泥、冶金中的應用。本專利技術的技術方案如下：一種碳化硅分離膜的制備方法，制備步驟如下： （1）將按比例配制的碳化硅、莫來石和氧化鋯微粉加入到分散溶液中，再置于磁力攪拌器中攪拌，得到涂膜液a；（2）將涂膜液a放入超聲裝置中進行超聲，使得團聚的粉體分散均勻，并消除部分氣泡，得到涂膜液b；（3）在涂膜液b中加入5-10滴消泡劑，抽真空消泡直至無氣泡冒出，得到均勻無泡的涂膜液c；（4）將涂膜液c通過噴涂法均勻涂覆在支撐體上，在烘箱中烘干，得到覆膜的支撐體d；（5）將覆膜的支撐體d置于管式氣氛爐中進行程序升溫燒結，保溫一定時間后，再程序降溫，然后自然冷卻得到碳化硅分離膜。其中：步驟（1）所述的碳化硅平均粒徑在1-20 μm，莫來石平均粒徑在0.5-5 μm，氧化鋯平均粒徑在0.5-5 μm。步驟（1）所述的微粉中碳化硅質(zhì)量含量為80-99 %，莫來石質(zhì)量含量為0.5-10 %，氧化鋯質(zhì)量含量為0.5-10 %。步驟（1）所述的分散溶液為甲基纖維素溶液，甲基纖維素溶液的質(zhì)量濃度為0.5-3 %。步驟（1）所述的涂膜液a的固含量質(zhì)量百分比為20-50 %。步驟（1）所述的磁力攪拌器轉(zhuǎn)速在200-1000 r/min，攪拌時間為1-10 h；步驟（2）所述的超聲功率為100-300 W，超聲時間為0.5-5 h。步驟（3）所述的消泡劑為乙醇、丙醇或異丁醇。步驟（4）所述的支撐體材料為碳化硅、氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦、二氧化硅中的一種或多種；支撐體的孔隙率為30-60 %，平均孔徑為1-50 μm。步驟（4）所述的噴涂壓力為0.2-0.6 MPa，單次噴涂時間為2-8 s，噴涂次數(shù)為2-8次。步驟（5）所述的程序燒結溫度為：先程序升溫至800-1300 ℃，在空氣氣氛中保溫1-4 h，然后通過高純氮置換空氣，將燒結氣氛變?yōu)楦呒兊脫Q時間為10-30 min，氣體流量為50-500 mL/min；再升溫至1350-1800 ℃，在高純氮中保溫1-4 h；再程序降溫到600-1200 ℃，然后自然降溫；升溫速率和降溫速率都為1-10 ℃/min。本專利技術的有益效果：1、本專利技術制備的碳化硅分離膜，具有分離精度高，高溫抗熱震性能強，抗腐蝕性能優(yōu)異等，可以使該產(chǎn)品適用于各種苛刻的過濾環(huán)境，特別是應用于火電廠、水泥、冶金等行業(yè)。2、本專利技術所述的制備方法工藝簡單、易操作，便于工業(yè)化生產(chǎn)。附圖說明圖1為碳化硅支撐體表面SEM圖。圖2為實施例2制備的碳化硅分離膜SEM圖。圖3為對比例1制備的碳化硅分離膜SEM圖。圖4為對比例2制備的碳化硅分離膜SEM圖。圖5為實施例3制備的碳化硅分離膜抗熱震泡點隨循環(huán)次數(shù)變化圖。圖6為實施例5制備的碳化硅分離膜抗腐蝕質(zhì)量損失率隨時間變化圖。圖7為實施例5制備的碳化硅分離膜的XRD分析。圖8為實施例5制備的碳化硅分離膜的孔徑分布分析圖。具體實施方式下面結合實施例對本專利技術做更進一步地解釋，下列實施例僅用于說明本專利技術，但并不用來限定本專利技術的實施范圍。實施例1 將按比例配制的碳化硅、莫來石和氧化鋯微粉加入到分散溶液中制得涂膜液。微粉中碳化硅含量為80 wt%，莫來石含量為10 wt% ，氧化鋯含量為10 wt%。分散溶液為0.5 wt%的甲基纖維素溶液，涂膜液固含量為20 wt%。通過攪拌均勻混合，攪拌時間為1 h，攪拌轉(zhuǎn)速為200 r/min。然后將混合均勻的涂膜液置于超聲裝置中進行分散，超聲功率為100 W，超聲時間為5 h。最后將超聲分散得到的涂膜液進行真空消泡，消泡劑為乙醇，抽真空直至無氣泡冒出為止。所用碳化硅粉體平均粒徑為1 μm，莫來石粉體平均粒徑為0.5 μm，氧化鋯粉體平均粒徑為0.5 μm。采用噴涂法在碳化硅支撐體上進行涂膜，碳化硅支撐體孔隙率為30 %，平均孔徑為1 μm，厚度為1 mm。噴涂壓力為0.2 MPa，單次噴涂時間為2 s，噴涂次數(shù)為8次，得到覆膜的碳化硅支撐體。先程序升溫至800 ℃，在空氣氣氛中保溫1h，然后通過高純氮置換空氣，將燒結氣氛變?yōu)楦呒兊?，置換時間為10 min，氣體流量為50 ml/min；再升溫至1350 ℃，在高純氮中保溫1 h；再程序降溫到600 ℃，然后自然降溫；升溫速率和降溫速率都為1 ℃/min。經(jīng)檢測，所得的碳化硅分離膜平均孔徑為0.21 μm，N2氣滲透通量為5.2 m3·m-2·h-1·KPa；經(jīng)多孔陶瓷耐酸，堿腐蝕性能檢測方法GB/T 1970-1996，在酸性條件下，1 h后質(zhì)量損失率為0.03 %；在堿性條件下，1 h后質(zhì)量損失率為0.05 %；經(jīng)25-800 ℃的20次快速熱循環(huán)，孔結構無明顯變化，泡點無明顯變化。實施例2將按比例配制的碳化硅、莫來石和氧化鋯微粉加入到分散溶液中制得涂膜液。微粉中碳化硅含量為85 wt%，莫來石含量為7.5 wt% ，氧化鋯含量為7.5 wt%。分散溶液為1.5 wt%的甲基纖維素溶液，涂膜液固含量為20 wt%。通過攪拌均勻混合，攪拌時間為1 h，攪拌轉(zhuǎn)速為200 r/min。然后將混合均勻的涂膜液置于超聲裝置中進行分散，超聲功率為10本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種碳化硅分離膜的制備方法，其特征在于，制備步驟如下：?（1）將按比例配制的碳化硅、莫來石和氧化鋯微粉加入到分散溶液中，再置于磁力攪拌器中攪拌，得到涂膜液a；（2）將涂膜液a放入超聲裝置中進行超聲，使得團聚的粉體分散均勻，并消除部分氣泡，得到涂膜液b；（3）在涂膜液b中加入5?10滴消泡劑，抽真空消泡直至無氣泡冒出，得到均勻無泡的涂膜液c；（4）將涂膜液c通過噴涂法均勻涂覆在支撐體上，在烘箱中烘干，得到覆膜的支撐體d；（5）將覆膜的支撐體d置于管式氣氛爐中進行程序升溫燒結，保溫一定時間后，再程序降溫，然后自然冷卻得到碳化硅分離膜。

【技術特征摘要】
1.一種碳化硅分離膜的制備方法，其特征在于，制備步驟如下： （1）將按比例配制的碳化硅、莫來石和氧化鋯微粉加入到分散溶液中，再置于磁力攪拌器中攪拌，得到涂膜液a；（2）將涂膜液a放入超聲裝置中進行超聲，使得團聚的粉體分散均勻，并消除部分氣泡，得到涂膜液b；（3）在涂膜液b中加入5-10滴消泡劑，抽真空消泡直至無氣泡冒出，得到均勻無泡的涂膜液c；（4）將涂膜液c通過噴涂法均勻涂覆在支撐體上，在烘箱中烘干，得到覆膜的支撐體d；（5）將覆膜的支撐體d置于管式氣氛爐中進行程序升溫燒結，保溫一定時間后，再程序降溫，然后自然冷卻得到碳化硅分離膜。2.根據(jù)權利要求1所述的碳化硅分離膜的制備方法，其特征在于，步驟（1）所述的碳化硅平均粒徑在1-20 μm，莫來石平均粒徑在0.5-5 μm，氧化鋯平均粒徑在0.5-5 μm。3.根據(jù)權利要求1所述的碳化硅分離膜的制備方法，其特征在于，步驟（1）所述的微粉中碳化硅質(zhì)量含量為80-99 %，莫來石質(zhì)量含量為0.5-10 %，氧化鋯質(zhì)量含量為0.5-10 %。4.根據(jù)權利要求1所述的碳化硅多孔陶瓷分離膜的制備方法，其特征在于，步驟（1）所述的分散溶液為甲基纖維素溶液，甲基纖維素溶液的質(zhì)量濃度為0.5-3 %。5.根據(jù)權利要求1所述的碳化硅多孔陶瓷分離膜的制備方法，其特征在于，步驟（1）所述的涂膜液a...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：邢衛(wèi)紅，仲兆祥，魏巍，韓峰，張峰，徐鵬，
申請(專利權)人：南京工業(yè)大學，南京膜材料產(chǎn)業(yè)技術研究院有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇;32