[发明专利]一种通过钇掺杂制备改性的氧化锆陶瓷超滤膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷超滤膜层的制备方法，具体涉及一种通过钇掺杂制备改性的氧化锆陶瓷超滤膜层的方法。

背景技术

膜分离技术由于其高效、节能、环保等优点受到越来越多的重视，并逐渐成为解决当代能源、资源和环境问题的重要新兴分离技术之一。如何有效地开发新型膜材料及制备方法是该新兴分离技术保持竞争力的关键。陶瓷膜由于具有优良的耐热、机械、化学稳定性等优点，可以满足高温和高酸碱性等条件比较苛刻的场合，近年来得到迅速的发展和应用，广泛的应用于化工、食品、环保、生物工程等众多领域。已经商品化的陶瓷膜按照分离原理和膜孔大小的不同，可以分为微滤、超滤、纳滤和反渗透等。超滤膜孔径一般在2~50nm之间，截留分子量为1000-1000000Da，对于大分子与小分子或超细颗粒具有良好的截留效果，主要应用于净化、浓缩、分级大分子或细小胶体物。陶瓷超滤膜不仅在液体分离方面具有广泛的应用前景，而且是气体分离膜和催化膜的基础，其工业化技术的开发也将推动膜在气体分离和催化反应领域的发展。因此陶瓷超滤膜的制备和性能的改进，尤其是耐酸碱性好、机械强度高等性能优异可适用于各种苛刻分离条件的陶瓷超滤膜的开发，逐步成为国内外研究的热点。膜材料的性能对膜过程的广泛应用具有重要的意义，它们不仅影响膜的分离性能，更与膜的使用寿命密切相关。常用的陶瓷膜材料有Al₂O₃、ZrO₂、SiO₂和TiO₂等。近年来，纳米复合材料陶瓷膜层由于的性能具有较大的提高而备受青睐，其中除了通过多种纳米陶瓷粉体复合成膜，通过掺杂的制备纳米复合陶瓷材料也成为陶瓷膜层改性的重要方法。陶瓷膜的制备方法很多，例如固态粒子烧结法、浸浆法、阳极氧化法、喷雾热分解法、化学气相沉积法等，根据膜材料、膜及载体结构、膜孔径大小、孔隙率和膜厚度等的不同而选择。然而，虽然陶瓷膜制备方法多样，膜工业上用于制备改性的复合陶瓷膜层的方法主要为固态粒子烧结法和溶胶-凝胶法。其中膜工业生产中常用的复合陶瓷膜层的制备方法，即多种陶瓷粉体材料复合成膜，主要采用固态粒子烧结堆积法；相比较固态粒子烧结堆积法，由溶胶-凝胶法制备掺杂改性的陶瓷膜，其原材料的组成及涂膜工艺更加简单，材料复合更为均匀，性能也较为稳定，其孔径可细达纳米级，甚至是埃级(10-1nm)。然而虽然溶胶-凝胶法制备改性的陶瓷膜层具有其优势并且可制备得到性能稳定、孔径较小的陶瓷膜，但是其涂抹、干燥、煅烧过程中膜层破裂、针孔、粒径变大等却成为影响其应用的最具挑战性的问题。

发明内容

本发明结合溶胶-凝胶法制备小尺寸纳米材料的技术与无机材料掺杂改性技术制备改性的纳米陶瓷材料，并与固态粒子烧结技术相结合，获得低温烧结条件下通过钇掺杂的制备改性的氧化锆陶瓷超滤膜的技术。

本发明的技术方案如下：

一种通过钇掺杂制备改性的氧化锆陶瓷超滤膜层的方法，包含如下步骤：

(1)将分散剂和钇盐直接加入氧氯化锆溶液中混合均匀成混合溶液，在保持反应温度、滴加速度和搅拌速度的条件下，将草酸铵或草酸溶液滴加到氧氯化锆溶液中，搅拌反应一段时间后，用氨水将溶液的pH值调整到4-9，搅拌陈化；

(2)将制备得到的钇掺杂的草酸锆溶胶蒸干，对得到的钇掺杂的草酸锆固体进行煅烧制备得到的钇掺杂的氧化锆纳米粉体；

(3)将制备得到的钇掺杂的氧化锆纳米粉体用陶瓷研钵进行干磨后，加入分散剂和水进行湿磨并配置成一定浓度的纳米钇掺杂氧化锆分散液；

(4)在一定浓度的纳米钇掺杂氧化锆分散液中加入成膜助剂、干燥控制剂、消泡剂制得涂膜液；

(5)将该涂膜液涂于多孔陶瓷膜支撑体上，经过干燥、烧结得到氧化锆陶瓷超滤膜膜层。

所述步骤(1)中分散剂种类为商品化的分散剂，可以采用型号为disper740w、disper750w、disper752w中的任意一种或多种；混合溶液中，分散剂的质量含量为0.5%-5%；将氧氯化锆换算成氧化锆当量，混合溶液中氧化锆质量含量为0.5%-5%；将钇盐换算成氧化钇当量，溶液中氧化钇质量含量为氧化锆含量的2-8%；草酸铵或草酸与氧氯化锆的摩尔比为1:1到1:2；反应温度为25℃-100℃。反应后用氨水调整溶液pH范围为4-9。

所述步骤(2)中氧化锆的煅烧温度为500℃-700℃。