一种螺旋通道中空板式陶瓷膜及其制备方法与流程

本发明涉及陶瓷分离膜技术领域，尤其涉及一种螺旋通道中空板式陶瓷膜及其制备方法，这种结构便于形成错流过滤，达到自洁净膜面的效果。

背景技术：

陶瓷分离膜由于具有优异的高分离效率、耐高温、耐腐蚀、耐溶剂、使用寿命长、高机械强度及易清洗可再生等优点，其应用已渗透到环保、水处理、食品、饮料、生物医药、发酵、石油化工等众多领域，可用于工艺过程中的分离、澄清、纯化、浓缩、除菌、脱盐等。目前市场上使用的陶瓷膜主要分为两大类，一类是管式陶瓷膜，另一类是中空平板式陶瓷膜。管式陶瓷膜虽然是错流过滤，但过滤路径长，过滤效率低；中空平板式陶瓷膜虽然过滤路径短，但封装不易，装填密度较小，而且由于其板状结构，不易实施错流过滤。鉴于管式陶瓷膜和中空板式陶瓷膜的不足，因此在一定程度上限制了管式陶瓷膜和中空平板式陶瓷膜的使用范围及领域。

陶瓷膜在过滤过程中，随着过滤时间的增加，截留物逐渐在膜表面上富积，形成一层截留物隔离层，进而增大过滤阻力，降低过滤速率，形成浓差极化。浓差极化会增加膜表面被截留物质的浓度，加速膜污染的发生，导致膜通量下降，跨膜压差上升，影响膜分离效率和膜的使用寿命。中空圆板式陶瓷膜在自身旋转时与过滤液会在膜面上形成一个平行于膜面的剪切应力，相当一个刮刷器在膜面上刮刷，起到自洁净的作用，使膜面不易形成截留物隔离层，降低了过滤阻力和膜污染，进而提高了膜分离效率和膜的使用寿命。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种螺旋通道中空板式陶瓷膜及其制备方法。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种螺旋通道中空板式陶瓷膜，其包括一内撑体及两空心片状膜支撑面，两膜支撑面封于内撑体上下表面；该内撑体为一体式的螺旋结构，螺旋末端形成的轴向孔洞不小于膜支撑面的空心尺寸，且螺旋末端形成的沟槽通道与两膜支撑面空心处连通。

上述的轴向孔洞大于或等于膜支撑面的空心尺寸，是为了保证螺旋末端封于膜支撑面之间的非空心处，另外，夹在一膜支撑面形成的螺旋末端沟槽通道，其与两膜支撑面的空心通道连通。

作为本发明一优选的实施方案，所述内撑体的螺旋结构的每一处的螺旋厚度h及通道跨度b的尺寸范围为0.1-10000mm。

作为本发明一优选的实施方案，所述内撑体截面形状为矩形、多边形、或椭圆。

作为本发明一优选的实施方案，所述内撑体及两膜支撑面均呈圆片状。

本发明中，这种中空圆板式陶瓷膜支撑体由一只内撑体及两片空心圆片状膜支撑面构成，其内撑体是一个形成一体的螺旋环结构，而国内外多通道中空圆板式陶瓷膜的通道为梯形，离圆心较远的部位膜支撑面的支撑点跨度大，随着膜外径尺寸的增大，支撑点跨度也增大，当受到过滤液对膜面的冲击力作用时，极易损坏膜面、甚至发生膜面折裂，这极大限制了膜的外形尺寸，减小了有效过滤面积；相比国内外多通道中空圆板式陶瓷膜，本发明膜支撑面的支撑点跨度变化可控、甚至可达到每处跨度相等，且可根据需求调节跨度，膜面可承受的压力更大，可承受高速自身旋转时过滤液对膜面的冲击力，且内撑体自成一体，能够单独加工，便于中空圆板式陶瓷膜的生产、加工及提高膜的整体强度；过滤路径短、过滤效率高、不需要封装，易于实施错流过滤，拓宽了陶瓷分离膜的使用范围及领域。

本发明还提供上述螺旋通道中空板式陶瓷膜的制备方法，其中支撑体生坯采用注凝成型工艺，制造方法步骤是：

(1)将有机单体丙烯酰胺(am)，交联剂亚甲基双丙烯酰胺(mbam)，分散剂柠檬酸胺(ac)及水按一定的比例混合得到预混液；再将陶瓷粉料与预混液按一定比例加入球磨机中，球磨1-4h，得到高固相、低粘度的料浆备用；

(2)将球磨好的料浆按一定的比例加入催化剂四甲基乙二胺(temed)、引发剂过硫酸胺(aps)，搅拌均匀后注入空心片状膜支撑面及螺旋状内撑体的金属模具或其他非多孔材料的模具中；使悬浮体中的有机单体聚合交联形成三维网络结构，从而使液态浆料转变成固态坯体，在40-80℃下浆料经过一定时间固化形成凝胶；然后脱模得到空心片状膜支撑面及螺旋状内撑体生坯；

(3)用两片空心片状膜支撑面坯体夹一只上下两面都涂敷粘土的内撑体坯体进行组合，将组合好的坯体，于400-1800℃温度下入窑烧结，保温时间为1-5h，得到中空板状支撑体h；

(4)在中空板状支撑体外表面上制备分离膜层，分离膜层的材质包含氧化铝质、碳化硅质、堇青石质、氧化锆质、二氧化硅质及二氧化钛质；制备分离膜的方法包含浸渍法、喷涂法及旋涂法，将覆有分离膜层的支撑体干燥后，入窑烧结，最后得到所述螺旋通道中空板式陶瓷膜。

作为本发明一优选的实施方案，步骤(a)中的所述陶瓷粉料包含氧化铝粉末、碳化硅粉末、堇青石粉末、氧化锆粉末、二氧化钛粉末、二氧化硅粉末。

作为本发明一优选的实施方案，步骤(a)中的所述陶瓷粉料还包括造孔剂，该造孔剂选自碳化硅、石墨、淀粉中的任意一种。

作为本发明一优选的实施方案，步骤(c)中的烧结后中空板状支撑体中内撑体的螺旋结构的每一处的螺旋厚度h及通道跨度b的尺寸范围为0.1-10000mm。

作为本发明一优选的实施方案，步骤(c)中的烧结后中空板状支撑体中内撑体的截面形状为矩形、多边形、或椭圆。

作为本发明一优选的实施方案，所述内撑体及两膜支撑面均呈圆片状。

采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

本发明中空圆板式陶瓷膜结构只要旋转陶瓷膜就能形成错流过滤，达到自洁净膜面的效果，过滤路径短、过滤效率高、不需要封装。

附图说明

图1为本发明中空板式陶瓷膜的结构示意图；

图2为本发明中空板式陶瓷膜省略上膜支撑面的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。

实施例1

(1)按以下重量百分比称取各物质备用：氧化铝粉(5μm，95.3wt％)、碳酸镁粉(5μm，1wt％)、氧化钛粉(5μm，1wt％)、有机单体丙烯酰胺am(2wt％)，交联剂亚甲基双丙烯酰胺mbam(0.2wt％)，分散剂柠檬酸胺ac(0.3wt％)，四甲基乙二胺temed(0.1wt％)，浓度为5％水溶液的引发剂过硫酸胺aps(0.1wt％)。

(2)将已称重的有机单体丙烯酰胺(am)，交联剂亚甲基双丙烯酰胺(mbam)，分散剂柠檬酸胺(ac)与以上备用物质总重量的45wt％水混合得到预混液，再将预混液与已称重的氧化铝粉(5μm，95.3wt％)、碳酸镁粉(5μm，1wt％)、氧化钛粉(5μm，1wt％)加入球磨机中球磨2h，得到高固相、低粘度的料浆备用。

(3)将球磨好的料浆加入已称重的催化剂四甲基乙二胺(temed)、引发剂过硫酸胺(aps)，搅拌均匀后注入支撑面及内撑体的金属模具，使悬浮体中的有机单体聚合交联形成三维网络结构，从而使液态浆料转变成固态坯体，在70℃下浆料经过一定时间固化形成凝胶。然后脱模即可得到图1及图2所示具有较高生坯强度的空心圆片状膜支撑面及螺旋状内撑体坯体。

(4)用两片空心圆片状膜支撑面坯体夹一只上下两面都涂敷粘土的内撑体坯体如图1进行组合，将组合好的坯体，于1350℃温度下入窑烧结，保温时间为1.5h，就可得到如图1所示的中空圆板状支撑体。

(5)在支撑体外表面上通过旋涂法制备氧化铝膜层，膜层厚度3-25μm，修饰膜厚度3-30nm，膜孔径1.5-2000nm之间，成膜完成后在80℃温度下干燥4h，然后入窑于1000℃温度下烧结，保温时间为2h，即获得所述螺旋通道中空板式陶瓷膜。

实施例2

(1)按以下重量百分比称取各物质备用：堇青石粉末(5μm，97.55wt％)、有机单体丙烯酰胺am(1.8wt％)，交联剂亚甲基双丙烯酰胺mbam(0.2wt％)，分散剂柠檬酸胺ac(0.25wt％)，四甲基乙二胺temed(0.1wt％)，浓度为5％水溶液的引发剂过硫酸胺aps(0.1wt％)。

(2)将已称重的有机单体丙烯酰胺(am)，交联剂亚甲基双丙烯酰胺(mbam)，分散剂柠檬酸胺(ac)与以上备用物质总重量的45wt％水混合得到预混液，再将预混液与已称重的堇青石粉末(5μm，97.55wt％)，同时外加碳化硅粉末(3μm，0.5wt％)作为造孔剂一起加入球磨机中球磨2.5h，得到高固相、低粘度的料浆备用。

(3)将球磨好的料浆加入已称重的催化剂四甲基乙二胺(temed)、引发剂过硫酸胺(aps)，搅拌均匀后注入支撑面及内撑体的金属模具，使悬浮体中的有机单体聚合交联形成三维网络结构，从而使液态浆料转变成固态坯体，在65℃下浆料经过一定时间固化形成凝胶。然后脱模即可得到图1及图2所示具有较高生坯强度的空心圆片状膜支撑面及螺旋状内撑体坯体。

(4)用两片空心圆片状膜支撑面坯体夹一只上下两面都涂敷粘土的内撑体坯体如图1进行组合，将组合好的坯体，于1200℃温度下入窑烧结，保温时间为1h，就可得到如图1所示的中空圆板状多孔质支撑体。

(5)在支撑体外表面上通过浸渍法制备氧化钛膜层，膜层厚度3-25μm，修饰膜厚度3-30nm，膜孔径1.5-2000nm之间，成膜完成后在70℃温度下干燥4h，然后入窑于450℃温度下烧结，保温时间为2h，即获得所述螺旋通道中空板式陶瓷膜。

实施例3

(1)按以下重量百分比称取各物质备用：碳化硅粉(5μm，97.3wt％)、有机单体丙烯酰胺am(1.9wt％)，交联剂亚甲基双丙烯酰胺mbam(0.25wt％)，分散剂柠檬酸胺ac(0.3wt％)，四甲基乙二胺temed(0.15wt％)，浓度为5％水溶液的引发剂过硫酸胺aps(0.1wt％)。

(2)将已称重的有机单体丙烯酰胺(am)，交联剂亚甲基双丙烯酰胺(mbam)，分散剂柠檬酸胺(ac)与以上备用物质总重量的47wt％水混合得到预混液，再将预混液与已称重的碳化硅粉(5μm，97.3wt％)加入球磨机中球磨2.5h，得到高固相、低粘度的料浆备用。

(3)将球磨好的料浆加入已称重的催化剂四甲基乙二胺(temed)、引发剂过硫酸胺(aps)，搅拌均匀后注入支撑面及内撑体的金属模具，使悬浮体中的有机单体聚合交联形成三维网络结构，从而使液态浆料转变成固态坯体，在45℃下浆料经过一定时间固化形成凝胶。然后脱模即可得到图1及图2所示具有较高生坯强度的空心圆片状膜支撑面及螺旋状内撑体坯体。

(4)用两片空心圆片状膜支撑面坯体夹一只上下两面都涂敷粘土的内撑体坯体如图1进行组合，将组合好的坯体，于1450℃温度下入窑烧结，保温时间为2h，就可得到如图1所示的中空圆板状膜支撑体。

(5)在支撑体外表面上通过喷涂法制备二氧化硅膜层，膜层厚度3-25μm，修饰膜厚度3-30nm，膜孔径1.5-2000nm之间，成膜完成后在80℃温度下干燥4h，然后入窑于1200℃温度下烧结，保温时间为2h，即获得所述螺旋通道中空板式陶瓷膜。

参见图1与图2，本发明中，内撑体1被两膜支撑面2封于其间，该内撑体1截面形状可为矩形、多边形及椭圆，每一处的螺旋厚度h及通道跨度b的尺寸可根据流量要求及强度要求调节，每处的厚度h及通道跨度b可以相同，也可以不相同，其尺寸范围为0.1-10000mm。作为本发明一优选的实施方案，所述内撑体1及两膜支撑面2均呈圆片状。

本发明的过滤原理：

参考图1，先把两膜支撑面2的中心孔(可以为圆形、方孔等，优选为圆孔)上下两面密封，然后施加一个抽力，使膜内部的内撑体中的螺旋通道形成负压，在膜内外压力差的作用下，需过滤相(液体或气体)经过膜面分离，透过的分离相聚集在螺旋通道内，在抽力的作用下，螺旋通道内的分离物质流向螺旋末端靠中心孔的开口(即沟槽通道，为螺旋末端在中心孔附近形成的开口，该开口与中心孔连通)处收集。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。