專利名稱：一種平板結構多孔陶瓷膜支撐體及其制備方法
技術領域：
本發明涉及ー種平板結構多孔陶瓷膜及其制備方法，其可用于替代目前常用于膜生物反應器中的有機平板膜或中空纖維膜。
背景技術：
膜生物反應器是一種結合生物處理和薄膜分離技術的污水 處理裝置，在原本布滿微生物的反應槽內，増加生物膜組件使進流水除了與反應槽內的微生物接觸并進行分解反應外，還同時使混合液在足夠的壓力差驅動下通過生物膜組的薄膜而產生過濾作用的處理技木，污染則被完全截留在反應槽內。膜的應用不僅可以取代活性污泥法中的二次沉淀池，進行固液分離，有效的達到了泥水分離的目的，而且能充分利用膜的高效截留作用，能夠有效地截留硝化菌，完全保留在生物反應器內，使硝化反應保證順利進行，有效去除氨氮，避免污泥的流失，并且可以截留一時難于降解的大分子有機物，延長其在反應器的停留時間，使之得到最大限度的分解。由于膜生物反應器處理系統可處理高濃度污泥變化、固液分離效果佳、可減少處理槽體積及污泥產量等優點，所以自80年代以來，已有多家企業開發出不同類型的商業化商品。而目前常用的膜生物反應器大都采用有機中空纖維膜，如聚こ烯中空纖維膜，但是有機膜存在機械、化學和熱穩定性低的缺點，其不能化學沖洗及反沖洗，使其在苛刻體系中的應用受到限制。而多孔無機陶瓷膜由于具有優異的高分離效率、耐高溫、耐溶劑、抗微生物、耐酸堿性、高機械強度及易清洗可再生等優點，其應用已滲透到食品、飲料、植(藥)物深加エ、生物醫藥、發酵、精細化工等眾多領域，可用于エ藝過程中的分離、澄清、純化、濃縮、除囷、除鹽等。針對上述問題，本發明提出采用平板結構多孔陶瓷膜來替代目前常用于膜生物反應器中的有機平板膜或中空纖維膜，一方面其耐酸堿腐蝕以及耐高溫，可以在苛刻的環境中使用，另ー方面其機械強度較高，且可以通過反向施壓進行反沖洗，減少膜的清洗次數，提高膜的使用壽命，從而解決了目前有機膜使用壽命不足的問題。本發明的目的是提供一種替代目前常用于膜生物反應器中的有機平板膜或中空纖維膜的無機膜，其不僅可以克服傳統膜生物反應器由于采用有機中空纖維膜導致其壽命低、不耐酸堿以及膜不能反沖洗等缺點，減少膜的清洗次數，提高膜的使用壽命，而且可以通過對多孔陶瓷膜組件施加負壓增大其滲透通量，或可以施加反向壓カ實現膜的在線反沖洗。在目前常用的擠出成型エ藝的基礎上，通過調整擠出成型所用模具和エ藝，首先制備了內部中空的平板結構多孔陶瓷膜支撐體，在此基礎上在多孔陶瓷膜支撐體的外表面涂覆至少ー層膜，通過干燥、燒結，最后獲得高力學性能的多孔陶瓷膜。本發明制備エ藝簡單，生產成本低，主要用于替代膜生物反應器中的有機膜或平板膜，有利于推廣應用。
發明內容
本發明針對傳統的有機中空纖維膜生物反應器的缺點，提出采用平板結構多孔陶瓷膜替代有機膜的方案。具體內容如下①結構(見附圖)多孔陶瓷膜支撐體呈平板狀，其由兩個平板支撐體組成ー個整體，且兩個平板支撐體中間留有一定的空間，同時在上述空間分布著至少ー個支撐柱，以提高支撐體組件的強度。同時，為了減少濾液在平板結構支撐體中的流動阻力，可以在平板膜支撐體中設置至少ー個出水通道，其可以通過手工或機械的方法來制備。②原材料多孔陶瓷膜支撐體的陶瓷骨料可采用氧化鋁、氧化鋯、ニ氧化硅、碳化硅、氧化鈦、莫來石、堇青石中的ー種或幾種。平均粒徑在1-40μπι之間。
造孔劑可以采用淀粉、石墨、酚醛樹脂球、PMMA微球、PS微球、聚こ烯醇等，平均粒徑在O. 005-10 μ m之間。粘結劑采用甲基纖維素、聚こ烯醇、聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素等。③制備エ藝將陶瓷骨料(80-96% )、造孔劑(2_10wt% )、粘結劑(2_10wt% )等球磨4_10h混合均勻，然后加入水(混合粉末與水的體積比為I. 5 2 I)球磨4-12h制成分散均勻的漿料。隨后將漿料置入煉泥機中，相對真空度不低于50%，泥料煉制1-6次。多孔陶瓷膜支撐體的成型エ藝可以采用擠出成型。擠出溫度在10-50°C之間，擠出速度在O. 2-3m/min之間，擠出壓カ不低于6MPa。擠出成型時在模具前面安裝了一個錐形分泥頭，泥料經過分泥頭時，通過分泥頭的張合將泥料均勻分散到平板結構模具上，從而實現平板結構陶瓷膜支撐體的制備。通過在擠出成型機中安裝分泥頭可以實現在小型擠出成型機中制備較大面積平板結構的陶瓷膜支撐體。另外，在擠出成型機模具外面的接物臺上設置孔洞，并通過管道與氣泵連接，通過調節氣泵的壓力，使擠出的支撐體坯體與接物臺接觸表面之間形成ー層氣膜，它可以降低擠出的支撐體坯體與接物臺之間的摩擦力，從而可以避免由于擠出速度與支撐體傳輸速度之間的不協調引起的支撐體生坯與接物臺接觸的表面泥料堆積或拉傷的現象。多孔陶瓷膜支撐體成型后，經干燥(50-80°C，l-10天)、選擇合適的燒結溫度(1200-1600°C )和保溫時間(2-20h)燒結獲得具有較優孔結構和力學性能的支撐體。其孔隙率為10-70%，平均孔徑為1-50 μ m，抗壓強度在20_40MPa之間。平板結構多孔陶瓷膜的制備エ藝可以采用懸浮漿料浸潰-涂覆法、溶膠-凝膠法、噴涂法等，具體的エ藝可以參考現有的專利技木。制備的平板結構多孔陶瓷膜的孔隙率在30-50%之間，平均孔徑在20_200nm之間，膜厚為5-25 μ m。本發明針對傳統的膜生物反應器用有機膜和平板膜的缺點，提出采用平板結構多孔陶瓷膜替代有機膜的方案。通過制備平板結構多孔陶瓷膜支撐體，并在其外表面涂覆至少ー層多孔陶瓷膜，達到提高膜生物反應器化學和熱穩定性以及壽命的目的。在平板結構外表面涂覆膜易于制備，且可以通過反沖洗來清洗陶瓷膜，提高其使用壽命。平板結構陶瓷膜中間的中空結構在使用時可以使其產生負壓，從而加大膜滲透效率。通過合理控制エ藝參數，得到高力學性能的平板結構多孔陶瓷膜。所制備的平板結構多孔陶瓷膜的孔隙率可達30-50%，孔徑在20-200nm，抗壓強度可達20_40MPa之間，可以用于替代有機中空纖維膜生物反應器，在污水處理、精細化工等領域有很大的潛在應用。
圖I (a)是平板結構多孔陶瓷膜支撐體的主視圖。圖I (b)是平板結構多孔陶瓷膜支撐體的俯視圖。圖1(c)是平板結構多孔陶瓷膜支撐體的主視圖，其中A和B是多孔陶瓷膜支撐體。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明的技術方案做進ー步說明。 實施例一將莫來石(20ym，80wt% )、淀粉(20 μ m，IOwt %)、甲基纖維素(分子量50000，IOwt% )球磨4h混合均勻，然后加入水(混合粉末與水的體積比為I. 5 : I)球磨4h制成分散均勻的漿料。隨后將漿料置入煉泥機中，相對真空度在95%，泥料煉制6次。多孔陶瓷膜支撐體的成型エ藝可以采用擠出成型。擠出溫度為10°C，擠出速度為O. 2m/min，擠出壓カ為6MPa。在燒結溫度為1500°C、保溫時間為2h時制備的平板結構陶瓷膜支撐體平均孔徑為10 μ m，孔隙率為60%，抗壓強度為20MPa。在O. IMPa的壓カ下，純水通量為15m3/m2h。實施例ニ 將ZrO2 (10 μ m, 88wt% )、石墨(10 μ m, 5wt% )、聚こ烯醇(分子量為 17 萬，5wt% )球磨6h混合均勻，然后加入水(混合粉末與水的體積比為1.8 I)球磨8h制成分散均勻的漿料。隨后將漿料置入煉泥機中，相對真空度在80%，泥料煉制2次。多孔陶瓷膜支撐體的成型エ藝可以采用擠出成型。擠出溫度為50°C，擠出速度為2m/min，擠出壓カ為6MPa。在燒結溫度為1550°C、保溫時間為2h時制備的平板結構陶瓷膜支撐體的平均孔徑為8 μ m,孔隙率為40%，抗壓強度為25MPa。在O. IMPa的壓カ下，純水通量為12m3/m2h。實施例三將Al203 (5 ym，91wt% )、PMMA 微球(15ym，3wt% )、羧甲基纖維素(分子量為17000,6wt% )球磨8h混合均勻，然后加入水(混合粉末與水的體積比為I. 5 : I)球磨6h制成分散均勻的漿料。隨后將漿料置入煉泥機中，相對真空度在90%，泥料煉制4次。多孔陶瓷膜支撐體的成型エ藝可以采用擠出成型。擠出溫度為30°C，擠出速度為lm/min，擠出壓カ為8MPa。在燒結溫度為1550°C、保溫時間為4h時制備的平板結構陶瓷膜支撐體的平均孔徑為15 μ m，孔隙率為50%，抗壓強度為28MPa。在O. IMPa的壓カ下，純水通量為18m3/nfh0實施例四將堇青石(I μ 111,9611:1% )、酹醒樹脂微球)、聚丙烯酰胺(分子量為1200萬，2wt % )球磨IOh混合均勻，然后加入水(混合粉末與水的體積比為2 I)球磨IOh制成分散均勻的漿料。隨后將漿料置入煉泥機中，相對真空度在85%，泥料煉制4次。多孔陶瓷膜支撐體的成型エ藝可以采用擠出成型。擠出溫度為20°C，擠出速度為O. 2m/min,擠出壓カ為lOMPa。在燒結溫度為1200°C、保溫時間為2h時制備的平板結構陶瓷膜支撐體的平均孔徑為20 μ m，孔隙率為30%，抗壓 強度為20MPa。在O. IMPa的壓カ下，純水通量為10m3/m2ho
權利要求
1.ー種平板結構多孔陶瓷膜支撐體，其特征在于所述陶瓷膜支撐體呈平板狀，由兩個平板膜支撐體組成，兩個平板膜支撐體中間留有一定的空間，在所述空間中分布著至少一個支撐柱，在平板膜支撐體中設置至少ー個出水通道，以減少濾液在平板結構支撐體中的流動阻力。
2.ー種平板結構多孔陶瓷膜支撐體的制備方法，多孔陶瓷膜采用懸浮漿料浸潰-涂覆法、溶膠-凝膠法、噴涂法或其他方法制備，其特征在于所述陶瓷膜支撐體的制備方法為 (1)原材料 多孔陶瓷膜支撐體的陶瓷骨料采用氧化鋁、氧化鋯、ニ氧化硅、碳化硅、氧化鈦、莫來石、或堇青石中的ー種或幾種，平均粒徑在1-40 μ m之間； 造孔劑采用淀粉、石墨、酚醛樹脂球、PMMA微球、PS微球、聚こ烯醇或其它，平均粒徑在O. 005-10 μ m 之間； 粘結劑采用甲基纖維素、聚こ烯醇、聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素或其它； (2)制備エ藝 2. I.將陶瓷骨料(80-96wt% )、造孔劑(2-10wt% )、粘結劑(2-10wt% )球磨4_10h混合均勻，然后加入水球磨4-12h制成分散均勻的漿料，所述混合粉末與水的體積比為I. 5 2:1; 2.2.將漿料置入煉泥機中，相對真空度不低于50%，泥料煉制1-6次； 2.3.將混煉好的泥料采用擠出成型，擠出溫度在10-50°C之間，擠出速度在O. 2-3m/min之間,擠出壓カ不低于6Mpa ； 2.4.陶瓷膜支撐體成型后，經50-80°C干燥1-10天、選擇1200-1600°C燒結溫度和2-20h保溫時間進行燒結，獲得孔隙率為10-70%，平均孔徑為1_50μπι，抗壓強度在20-40MPa之間的支撐體。
3.按照權利要求2所述的制備方法，其特征在于步驟2.3擠出成型時在模具前面安裝了一個錐形分泥頭，泥料經過分泥頭時，通過分泥頭的張合將泥料均勻分散到平板結構模具上。
全文摘要
本發明涉及一種平板結構多孔陶瓷膜支撐體及其制備方法，屬于陶瓷膜支撐體技術領域。所述陶瓷膜支撐體呈平板狀，由兩個平板膜支撐體組成，兩個平板膜支撐體中間留有一定的空間，在所述空間中分布著至少一個支撐柱，在平板膜支撐體中設置至少一個出水通道，以減少濾液在平板結構支撐體中的流動阻力。支撐體的陶瓷骨料采用氧化鋁、氧化鋯、二氧化硅、碳化硅、氧化鈦、莫來石、或堇青石中的一種或幾種，造孔劑采用淀粉、石墨、酚醛樹脂球等，粘結劑采用甲基纖維素、聚乙烯醇等。所制備的平板結構多孔陶瓷膜的孔隙率可達30-50％，孔徑在20-200nm，抗壓強度可達20-40MPa之間，可以用于替代有機中空纖維膜生物反應器，在污水處理、精細化工等領域有很大的潛在應用。
文檔編號B01D69/10GK102688700SQ201210179260
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月1日 優先權日2012年6月1日
發明者付磊, 劉瑞平, 汪長安, 王迎奎, 王迎祥, 衷待群, 黃勇 申請人:河南方周瓷業有限公司, 清華大學