一种氧化铝陶瓷板膜及其制备方法和应用

本发明属于无机-有机功能薄膜材料，具体涉及一种氧化铝陶瓷板膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、水是万物生命得以延续的基础，随着社会和工业的进步造成的污染增加及人口的大爆发，世界上水资源的短缺问题日益严重。我国是工业大国且人口众多，综合来看，人均淡水量更是偏低，因此解决水资源短缺的问题，提高和发展污水处理技术刻不容缓。

2、传统平板陶瓷膜作为无机膜中的一种，近些年因其处理效率高、能耗低、稳定性高等优点，被广泛用于污水处理。与其他的陶瓷膜相比，传统平板陶瓷膜结构规整，相对比表面积大，过滤效果佳，但是其应用过程中易出现孔堵塞、分离效率低下及烧结成本过高等问题。因此传统的制造及烧结工艺有待改善，开发一种新型陶瓷膜制造工艺势在必行。

技术实现思路

1、针对现有陶瓷板烧结成本高、分离精度低、易堵孔等问题，本发明的目的在于提供一种氧化铝陶瓷板膜及其制备方法和应用。本发明采用中间牺牲层的方法，在保持膜厚较低、膜孔较小的情况下成功附着功能膜层，制得的氧化铝陶瓷板膜稳定性强、膜层薄、传质阻力小。

2、为实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：

3、一种氧化铝陶瓷板膜的制备方法，包括：在氧化铝陶瓷基板上依次设置中间牺牲层和功能膜层；再去除所述中间牺牲层，得到氧化铝陶瓷板膜；所述中间牺牲层由氧化石墨烯-四硼酸钠交联溶液固化得到。

4、上述氧化铝陶瓷板膜的制备方法，包括以下步骤：

5、s1.对氧化铝陶瓷基板进行预处理；

6、s2.在预处理后的氧化铝陶瓷基板上涂覆氧化石墨烯-四硼酸钠交联溶液，形成中间牺牲层；

7、s3.在中间牺牲层上涂覆功能膜层溶液，形成功能膜层；

8、s4.烧结除去中间牺牲层，使得氧化铝陶瓷基板与功能膜层连接，得到氧化铝陶瓷板膜。

9、优选的，步骤s1中的预处理方法为：清洗、烘干氧化铝陶瓷基板，再分别用1～2％的盐酸和15～20％的硅烷偶联剂处理表面。盐酸用于增加基板表面的活性羟基，硅烷偶联剂用于连接基板及中间牺牲层。

10、优选的，步骤s2中，氧化石墨烯-四硼酸钠交联溶液的制备方法为：首先配制浓度为0.1g/l～5g/l的氧化石墨烯溶液和浓度为0.01mol/l～0.6mol/l的四硼酸钠溶液；然后将氧化石墨烯溶液和四硼酸钠溶液以(0.5～2)：(0.5～5)的体积比混合，搅拌0.2～1h完成交联。

11、优选的，步骤s3中功能膜层溶液包括氧化铝溶液、有机添加剂和勃姆石溶胶。本发明以勃姆石溶胶与γ-al2o3等配制功能膜层液，高温后形成团聚的氧化铝颗粒，因膜层液中各物质的粒径较小，团聚的颗粒小，进而形成较小的超滤孔使得制出的超滤膜孔径在20nm左右，大大提高分离精度。

12、优选的，氧化铝溶液的固含量为10～25％，有机添加剂包括聚乙二醇和甘油，勃姆石溶胶由强酸酸化拟薄水铝石得到；氧化铝溶液、有机添加剂和勃姆石溶胶的质量比为(0.1～2)：(0.1～3)：(3～10)。

13、优选的，步骤s4烧结过程中的升温速率为0.3～1℃/min，升温至850℃后保温1h；降温速率为0.2～2℃/min，降温至500℃后自然冷却至室温。

14、氧化石墨烯是一种二维片状的功能材料，有大量含氧官能团，可与多种物质通过分子间作用力结合；四硼酸钠作为一种应用广泛的无机交联剂，有较强的交联效果。本发明将二者按照一定比例混合交联形成致密稳定的中间牺牲层，在此基础上，涂覆以勃姆石溶胶为主的混合溶液，再以烧结除去中间牺牲层的方法形成功能膜，防止了功能膜层的渗透，制备出一种工艺简单、成本低廉的新型超薄氧化铝陶瓷超滤膜，具有一定发展前景。

15、本发明还提供一种由上述制备方法制备得到的氧化铝陶瓷板膜。

16、本发明还提供一种由上述制备方法制备得到的氧化铝陶瓷板膜在污水处理中的应用。

17、本发明的有益效果是：

18、(1)本发明以中间牺牲层的方法制备氧化铝陶瓷板膜，前期有效阻隔了功能膜层颗粒的渗透，避免基板发生孔堵塞，后期再将中间牺牲层去除，降低了传质阻力，得到的氧化铝陶瓷板膜稳定性强、膜层薄、孔径小、水通量高。

19、(2)本发明以氧化石墨烯-四硼酸钠溶液交联形成的致密层作为中间牺牲层，成功将功能膜层与基板连接在一起，有效避免了功能膜层颗粒向氧化铝陶瓷基板的渗透；且仅需850℃的烧结温度便可热解去除，最终功能膜层稳定附着于氧化铝陶瓷基板上，得到具有两层结构的氧化铝陶瓷板膜，大大降低了烧结成本。

20、(3)本发明通过对氧化铝陶瓷基板进行预处理，可有效提高基板与涂覆液的结合力，避免所制备的氧化铝陶瓷板膜出现脱皮现象。

技术特征：

1.一种氧化铝陶瓷板膜的制备方法，其特征在于，包括：在氧化铝陶瓷基板上依次设置中间牺牲层和功能膜层；再去除所述中间牺牲层，得到所述氧化铝陶瓷板膜；其中所述中间牺牲层由氧化石墨烯-四硼酸钠交联溶液固化得到。

2.根据权利要求1所述的氧化铝陶瓷板膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的氧化铝陶瓷板膜的制备方法，其特征在于，步骤s1中所述预处理的方法为：分别用1～2％的盐酸和15～20％的硅烷偶联剂处理所述氧化铝陶瓷基板表面。

4.根据权利要求2所述的氧化铝陶瓷板膜的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述氧化石墨烯-四硼酸钠交联溶液的制备方法为：分别配制浓度为0.1g/l～5g/l的氧化石墨烯溶液和浓度为0.01mol/l～0.6mol/l的四硼酸钠溶液；然后将氧化石墨烯溶液和四硼酸钠溶液以(0.5～2)：(0.5～5)的体积比混合，搅拌0.2～1h完成交联。

5.根据权利要求2所述的氧化铝陶瓷板膜的制备方法，其特征在于，步骤s3中所述功能膜层溶液包括氧化铝溶液、有机添加剂和勃姆石溶胶。

6.根据权利要求5所述的氧化铝陶瓷板膜的制备方法，其特征在于，所述氧化铝溶液的固含量为10～25％，所述有机添加剂包括聚乙二醇和甘油，所述勃姆石溶胶由强酸酸化拟薄水铝石得到。

7.根据权利要求6所述的氧化铝陶瓷板膜的制备方法，其特征在于，所述氧化铝溶液、有机添加剂和勃姆石溶胶的质量比为(0.1～2)：(0.1～3)：(3～10)。

8.根据权利要求2所述的氧化铝陶瓷板膜的制备方法，其特征在于，步骤s4所述烧结过程中的升温速率为0.3～1℃/min，升温至850℃后保温1h；降温速率为0.2～2℃/min，降温至500℃后自然冷却至室温。

9.根据权利要求1～8任一项所述的氧化铝陶瓷板膜的制备方法制备得到的氧化铝陶瓷板膜。

10.根据权利要求1～8任一项所述的氧化铝陶瓷板膜的制备方法制备得到的氧化铝陶瓷板膜在污水处理中的应用。

技术总结
本发明公开了一种氧化铝陶瓷板膜及其制备方法和应用。该氧化铝陶瓷板膜的制备方法，包括：在氧化铝陶瓷基板上依次设置中间牺牲层和功能膜层；再去除所述中间牺牲层，得到所述氧化铝陶瓷板膜；其中所述中间牺牲层由氧化石墨烯‑四硼酸钠交联溶液固化得到。本发明采用中间牺牲层的方法制备氧化铝陶瓷板膜，前期有效阻隔了功能膜层颗粒的渗透，避免基板发生孔堵塞，后期再将中间牺牲层去除，降低了传质阻力，得到的氧化铝陶瓷板膜稳定性强、膜层薄、孔径小、通量高。

技术研发人员：刘晓芳,张楠楠,王依诺,周衡卿,高郭旗,李潇
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13