[发明专利]稀土改性凹凸棒土纳米涂层陶瓷滤膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及膜分离与水处理技术领域，特别涉及到一种稀土改性凹凸棒土纳米涂层陶瓷滤膜及其制备方法。

背景技术

膜技术目前在全球范围内受到了前所未有的高度重视，膜产业被誉为发展潜力巨大的朝阳产业。作为材料科学和过程工程等诸多学科交叉结合、相互渗透而产生的膜技术，已成为推动中国在环保、能源、化学工程与生物工程四大支柱产业发展的共性技术。

膜材料是膜技术的核心，目前在工业领域得到应用的膜材料包括有机聚合物膜材料和无机膜材料两大类。与有机聚合物膜相比，无机膜具有耐高温、化学稳定性好、机械强度高、抗微生物能力强、使用寿命长等优点，因而近十多年来无机膜特别是陶瓷膜技术发展迅速，成为国内外膜技术研究与应用开发的热点。

陶瓷膜的类型包括平板式、管式、多通道式等。其中，平板膜主要用于实验室或工业小规模单片过滤；单通道管式膜因强度低、易折碎，其应用受到限值；目前商业生产的陶瓷膜大多以α-A1₂O₃为原料制备，主要为多通道管式膜，一般制成7、19和37通道，以提高管式膜的机械强度和单位体积内的膜面积。管式膜通常采用错流过滤方式运行，有利于消除膜表面浓差极化和减缓膜污染，其缺点在于它的膜装填密度远低于中空纤维膜、卷式膜和板框式膜。为克服通道内滤液流动产生的边界层效应，往往需要比较高的供料速度，因此而造成能耗增加，尤其不适合高粘度物料的过滤分离。

一种旋转式膜分离装置被发明(ZL 200910224681.9)，其中有机平板膜被制成转盘式膜组件在滤液中旋转运行，这种主动式错流过滤操作既有利于消除浓差极化和减缓膜污染，又能克服曝气冲刷或者高速度循环供料产生的能耗过大问题，而且膜表面清洗方便。此项发明虽然针对的是有机平板膜，但同时也为平板式陶瓷膜的使用提供了良好前景。

凹凸棒土(简称ATP)属于海泡石族，是一种具有纤维状结构的水合镁铝硅酸盐，理论化学成分为：SiO₂56.96％，(Mg，Al，Fe)O 23.83％，H₂O 19.21％。我国凹凸棒土储量丰富，价格低廉，开采和加工过程能耗低，环境污染轻。而且，从凹凸棒土中提取天然纳米凹凸棒石的工艺也已经比较成熟。ZL201010562427.2中公开了一种凹凸棒土陶瓷浆料的生产方法，以凹凸棒石粘土矿物为原料烧制轻质陶瓷，可为凹凸棒土的开发利用开辟一条新途径。但是，凹凸棒陶瓷拥有强度低、稳定性差等缺点，不适合直接应用于制作平板式陶瓷支撑体。稀土元素由于其内层4f电子数从0到14逐个填充所形成的特殊组态，被用作陶瓷改性剂和增强剂，可以显著改善陶瓷材料的抗压强度。

在陶瓷滤膜的分离过程中，膜阻力主要集中在顶膜上。用纳米晶对陶瓷膜进行涂层修饰改性，特别是用纳米TiO₂、ZrO₂等金属氧化物作为改性剂，可以有效改善膜表面羟基的亲水性和荷电等特征，并由此造成水通量的显著增加。天然纳米凹凸棒石廉价易得，内部孔道丰富，并且具有很强的亲水性，因此是一种理想的纳米涂层修饰材料。CN102179184A中公开了一种以凹凸棒石纳米纤维为分离层的陶瓷微滤膜的制备方法，但未加改性剂的纳米凹凸棒石涂层，不可避免地存在着表面性能差、膜层易开裂和脱落等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供拓展陶瓷膜这一先进的膜材料技术，从多孔膜支撑体、纳米涂层修饰、制作形式和使用方式等多方位开发性能优越的陶瓷滤膜，克服了传统技术中的不足，从而实现本发明的目的。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种稀土改性凹凸棒土纳米涂层陶瓷滤膜，其特征在于，包括陶瓷支撑体、设置于陶瓷支撑体表面的分离膜，设置于陶瓷支撑体内部的中空腔，设置于陶瓷支撑体底端的出流嘴，所述出流嘴与中空腔连通。

在本发明的一个实施例中，所述陶瓷支撑体为圆形、扇形或矩形，基体面厚度为2～6毫米，中空腔厚度为2～8毫米，总厚度为6～20毫米。

一种稀土改性凹凸棒土纳米涂层陶瓷滤膜的制备方法，其特征在于，它包括如下步骤：

a.制备陶瓷支撑体

以凹凸棒石粘土为主料，添加稀土氧化物后研磨，再加入分散剂和造孔剂，然后与水充分搅拌制成浆料，再将浆料制成陶瓷胚体，最后把陶瓷胚体在高温炉中烧结保温得到陶瓷支撑体；

b.在陶瓷支撑体上制备分离膜