α-Al2O3微濾膜耐酸堿腐蝕性研究

汪永清 汪錦明 施群 陳紫謙 饒卉

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，景德鎮(zhèn)： 333001)

α-Al2O3微濾膜耐酸堿腐蝕性研究

汪永清 汪錦明 施群 陳紫謙 饒卉

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，景德鎮(zhèn)： 333001)

以20μmα-Al2O3粉為主要原料，鈦白粉、輕燒MgO粉和鈦溶膠為微濾膜添加劑，采用固相燒結(jié)反應(yīng)法制備了強(qiáng)度和耐酸堿腐蝕性較好的α-Al2O3微濾膜。實(shí)驗(yàn)探討了添加劑的種類(lèi)、燒結(jié)制度對(duì)微濾膜耐酸堿腐蝕性的影響。結(jié)果表明，采用固相燒結(jié)反應(yīng)法，α-Al2O3粉中加入5%鈦溶膠，經(jīng)1450℃煅燒，可制備孔隙率為26%，強(qiáng)度為50MPa耐酸堿腐蝕性較好的α-Al2O3-鈦溶膠體系微濾膜；α-Al2O3粉中加入4%輕燒MgO粉和1%ZnO2，經(jīng)1500℃煅燒,可制備孔隙率為25%，強(qiáng)度為80MPa耐酸堿腐蝕性較好的Al2O3-MgO-ZnO2體系微濾膜。

氧化鋁，微濾膜，耐酸堿性，鈦溶膠，MgO粉

1 前言

陶瓷微濾膜在水處理、氣體分離、液體分離、飲料和啤酒的濾菌、工業(yè)催化等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，工業(yè)化對(duì)微濾膜的耐酸堿性能要求也越高[1]。目前，關(guān)于陶瓷耐腐蝕性能的研究主要集中在致密陶瓷的耐酸腐蝕、耐熔鹽腐蝕等方面，而對(duì)陶瓷微濾膜耐酸堿腐蝕性能研究的報(bào)道不多。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，陶瓷材料在腐蝕環(huán)境中性能降低的原因除了與骨料本身的性質(zhì)有關(guān)外，還與顆粒間晶界相的性質(zhì)有關(guān)。為了便于成型和降低微濾膜的燒成溫度，在無(wú)機(jī)微濾膜的制備中常添加一定數(shù)量的能與氧化鋁顆粒形成晶界的添加劑。采用這種方法制備的微濾膜，極大的降低了微濾膜的制備成本，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景[2-4]。

α-Al2O3粉和鈦白粉、輕燒MgO粉以及鈦溶膠在高于1000℃的燒成溫度下可以分別形成鈦酸鋁和鎂鋁尖晶石。鈦酸鋁和鎂鋁尖晶石具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐酸堿腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，而α-Al2O3粉又具有很好的耐腐蝕性能[5]。因此，本實(shí)驗(yàn)室通過(guò)控制微濾膜中α-Al2O3顆粒周?chē)Ы缦嗟慕M成，使得α-Al2O3粉和鈦白粉、輕燒MgO粉以及鈦溶膠在高溫下可分別生成鈦酸鋁和鎂鋁尖晶石，通過(guò)這種方法可以使得微濾膜在獲得機(jī)械性能的同時(shí)，提高其耐酸堿性能。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)采用α-Al2O3粉為微濾膜基礎(chǔ)原料，鈦白粉、輕燒MgO粉和自制的鈦溶膠為微濾膜添加劑。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案簡(jiǎn)述

以20μm α-Al2O3粉為主要原料，采用固相燒結(jié)反應(yīng)法，通過(guò)五組實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)表1）制備具有微孔結(jié)構(gòu)的A12O3微濾膜。并將五組配方的產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，對(duì)微濾膜的耐酸堿腐蝕進(jìn)行探討。

2.3 制備A l2O3微濾膜的工藝流程圖

工業(yè)化制備Al2O3微濾膜的工藝路線見(jiàn)圖1。

2.4 耐酸堿性能測(cè)試

微濾膜耐酸堿性能測(cè)試方法參照了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 1970-1996）《多孔陶瓷耐酸、堿腐蝕性能測(cè)試方法》。具體測(cè)試步驟如下：

表1 實(shí)驗(yàn)方案Tab.1 Experimental program

（1）采用氫氧化鈉配制pH值分別為9、11、13堿性溶液，采用濃硫酸配制pH值分別為1、3、5的酸性溶液。

（2）稱(chēng)取干燥好的微濾膜樣品質(zhì)量M1，之后放置于配制好的堿性或酸性溶液中浸漬24小時(shí)，取出浸漬后的樣品用純凈水清洗干燥稱(chēng)取樣品質(zhì)量M2。

（3）微濾膜的腐蝕率計(jì)算公式：P=（M1-M2）/M1。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 微濾膜耐酸堿腐蝕性的影響分析

3.1.1 鋁鈦系列微濾膜的耐酸堿腐蝕性

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了1#Al2O3-TiO2體系、2#Al2O3-TiO2-ZrO2體系、3#Al2O3-鈦溶膠體系微濾膜在不同燒結(jié)溫度及不同酸堿濃度下的耐酸堿腐蝕性，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2結(jié)果顯示，隨著燒結(jié)溫度升高，同一體系微濾膜的耐酸堿腐蝕性上升；隨著酸堿溶液濃度的增加，微濾膜耐酸堿腐蝕性下降，且耐堿腐蝕略低于耐酸腐蝕。

Al2O3-TiO2體系微濾膜耐酸堿性較差，這是因?yàn)殁伆追劬Я］^大，與α-Al2O3粉反應(yīng)主要依賴(lài)于相互擴(kuò)散進(jìn)行反應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)溫度下反應(yīng)不完全，而添加了燒結(jié)助劑ZrO2的Al2O3-TiO2-ZrO2體系微濾膜的耐酸堿腐蝕性比Al2O3-TiO2體系微濾膜的耐酸堿腐蝕性好，這是由于ZrO2的引入，有助于結(jié)構(gòu)的致密性，化學(xué)穩(wěn)定性增加，提高了其耐酸堿性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Al2O3-鈦溶膠體系微濾膜具有較好的耐酸堿腐蝕性，在制備過(guò)程中鈦溶膠包覆在α-Al2O3粉體表面，且晶粒尺寸為納米級(jí)，能與α-Al2O3粉均勻地反應(yīng)，提高微濾膜的化學(xué)穩(wěn)定性，并隨煅燒溫度的提高，反應(yīng)更為完全，耐酸堿性更強(qiáng)，在燒結(jié)溫度1500℃下，Al2O3-鈦溶膠體系微濾膜在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿溶液中腐蝕率均小于0.01%，較Al2O3-TiO2體系載體和Al2O3-TiO2-ZrO2體系載體耐酸堿腐蝕性有明顯增強(qiáng)。

3.1.2 鋁鎂系列微濾膜的耐酸堿性研究

表2 孔隙率及強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Tab.2 Results of the porosity and flexural strength

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了4#Al2O3-MgO體系和5#Al2O3-MgO-ZnO2體系微濾膜的耐酸堿腐蝕性，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3結(jié)果顯示，鋁鎂系列微濾膜與鋁鈦系列微濾膜有著相同變化趨勢(shì)，耐酸堿腐蝕性隨著酸堿溶液濃度的增加而下降，但其堿的腐蝕率要低于酸腐蝕率。

燒結(jié)溫度越高，MgO與Al2O3之間反應(yīng)更強(qiáng)，且燒結(jié)程度也越高，促使微濾膜的結(jié)構(gòu)致密度增大，從而提高微濾膜的耐腐蝕性。根據(jù)前文分析，在燒結(jié)過(guò)程中，燒結(jié)助劑可促使微濾膜在較低溫度下合成且增大顆粒間的離子結(jié)合性，使微濾膜致密性和抗折強(qiáng)度均有所提高，微濾膜耐酸堿腐蝕性能也隨之增強(qiáng)。因此，在鋁鎂系列微濾膜中Al2O3-MgO-ZnO2體系微濾膜的耐酸堿腐蝕性最好，燒結(jié)溫度1600℃下，Al2O3-MgO-ZnO2體系載體在強(qiáng)酸溶液中耐腐蝕性約為0.002%、在強(qiáng)堿溶液中腐蝕率約為0.001%。

3.2 微濾膜孔隙率及強(qiáng)度影響分析

實(shí)驗(yàn)選擇耐酸堿腐蝕性能較好的Al2O3-鈦溶膠體系和Al2O3-MgO-ZnO2體系微濾膜，測(cè)試不同燒結(jié)溫度下孔隙率及強(qiáng)度變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2結(jié)果顯示，隨著燒結(jié)溫度增加，Al2O3-鈦溶膠和Al2O3-MgO-ZnO2體系微濾膜的孔隙率在降低，而強(qiáng)度在增加，燒結(jié)溫度高，促使微濾膜致密程度加大，因此出現(xiàn)孔隙率在降低，強(qiáng)度變大的現(xiàn)象。

綜合考慮耐酸堿腐蝕性、孔隙率與強(qiáng)度，燒結(jié)溫度為1450℃的Al2O3-鈦溶膠體系微濾膜性能較佳，其耐強(qiáng)酸堿腐蝕率低于0.02%，孔隙率為26%，強(qiáng)度為50 Mpa；而燒結(jié)溫度為1500℃的Al2O3-MgO-ZnO2體系微濾膜也具有較好性能，其耐強(qiáng)酸堿腐蝕率低于0.02%,孔隙率為25%，強(qiáng)度為80 Mpa。

4 結(jié)論

（1）以5%的鈦溶膠為添加劑的α-Al2O3-鈦溶膠體系微濾膜有較好的耐酸堿腐蝕性，且耐酸強(qiáng)于耐堿，于1450℃下煅燒，其孔隙率為26%，抗折強(qiáng)度為50Mpa。

（2）以4%的輕燒MgO為添加劑，1%ZnO2為燒結(jié)助劑，制備的Al2O3-MgO-ZnO2體系微濾膜有較強(qiáng)的耐酸堿腐蝕性，且耐堿腐蝕好于耐酸腐蝕，在1500℃煅燒，其孔隙率達(dá)25%，抗折強(qiáng)度達(dá)80Mpa。

1 徐南平.無(wú)機(jī)膜的發(fā)展與展望.化工進(jìn)展,2000,(4):5～9

2 朱立群.陶瓷的耐腐蝕性能研究狀況.兵器材料科學(xué)與工程.1995,18(4):50～54

3 孫宏偉,謝灼利,鄭沖.微孔α-A12O3陶瓷膜管的制備與性能.無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào),1998,13(5):698～702

4 周勇,劉杏芹等.多孔α-A12O3陶瓷的制備及其研究.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),1997,27(2):181～18

5 劉國(guó)祥.影響氧化鋁陶瓷燒結(jié)的因素分析.江蘇陶瓷,2000,30(1):19～21

THE ACID/ALKALI RESISTANCE RESEARCH OF α-Al2O3MICROFILTR MEMBRANES

Wang Yongqin Wang Jinming Shi Qun Chen Ziqian Rao Hui
(Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen 333001)

The α-Al2O3microfiltration membranes with good bending strength and acid-resistance were prepared by a solidphase sintering method using 20μm α-Al2O3powder as main raw material and titanium,light-burned magnesia powder and titanium sol as microfiltration membrane additives.The effects of the additives on the scheme of sintering and acid/base resistance were discussed.The results show that the microfiltration membrane of Al2O3-Ti sol system has the porosity of 26%,the bend strength of 50Mpa and good acid/alkali resistance,when cacined at 1450℃with 5wt%titanium sol as a sintering aid.The microfiltration membrane of Al2O3-MgO-ZnO2system has the porosity of 25%,the bend strength of 80Mpa and good acid/alkali resistance,when cacined at 1500℃with 4wt%MgO and 1 wt%ZnO2as sintering aids.

alumina,microfiltration membrane,acid/alkali resistance,titanium sol,MgO powder

on Feb.1,2010

T Q 1 7 4.7 5

A

1000-2278（2010）02-0213-05

2010-02-01

科技部國(guó)際科技合作項(xiàng)目（編號(hào)：2009DFB50490）,江西省教育廳項(xiàng)目（編號(hào)：GJJ08510）

汪永清，E-mail:wyq8248@126.com

Wang Yongqin,E-mail:wyq8248@126.com