有序多孔陶瓷的功能化组装

摘 要：以多孔陶瓷为过滤元件的陶瓷过滤器，已在化工和冶金等领域得到广泛的应用，尤其在含有重金属离子的废水处理中具有非常广阔的前景。本实验主要研究了以硅藻土、活性炭和硅溶胶作为组装原料，对有序多孔陶瓷材料进行功能组装。实验结果表明：在功能组装过程中，活性炭和硅藻土填充效果一般；活性炭浓度为10%的组装效果较为理想，而硅藻土浓度为8%组装效果较好；随着硅溶胶组装次数增加，陶瓷膜孔隙率下降，组装1次时可以得到结构较好的纳米多孔材料。

关键词：有序多孔陶瓷；组装；活性炭;硅藻土；硅溶胶

1 引 言

多孔陶瓷是微孔过滤介质的一种，具有耐酸碱和使用寿命长等特点[1]，广泛应用于化工、冶金、汽车和环保等领域[2～6]。国外自50年代起，就开始应用多孔陶瓷做过滤元件，用于上、下水净化，地下钻井含水层中的泥砂过滤，各种饮用水、矿泉水除菌，含油气体净化等，目前产品已标准化、系列化。国内对多孔陶瓷在过滤技术中的应用研究虽起步较晚, 但目前以多孔陶瓷为过滤元件的陶瓷过滤器, 已在各行业的分离、净化领域中得到较全面的推广应用。如石化行业中液-固、气-固分离；制药、酿造行业中的无菌净化处理；环保行业中高温烟气除尘等。目前， 陶瓷过滤器以其独特的功能特性，在各分离、净化领域中已成为一种不可替代的产品[1]。

由于自制的有序多孔陶瓷膜的孔径较大，约100μm左右，这使得其在处理重金属离子废水方面存在很大的缺陷，本文在有序多孔陶瓷膜的大孔中引入一些活性物质如活性碳、硅藻土和硅溶胶等，缩小其孔径，提高比表面积，增大对重金属离子的吸附。

2 实 验

2．1原料

本实验所用原料如表1所示。

2.2工艺流程

本实验所用到的工艺流程如图1。将自制备的有序多孔陶瓷膜切成5mm×5mm×15mm的长条做为组装模板，同时将待组装的原料按配方称好后装入一小塑料杯中，先用玻璃棒搅拌均匀，尽量不要有沉淀；再放入超声波清洗机中分散10min，使溶液呈悬浮状。将模板一端接真空泵，一端浸入组装悬浮液中，抽至-0.07个大气压，待气压稳定后进行抽滤，组装时间为3min。再将组装好的试样，放入烘箱中干燥10h，干燥温度为70℃，再进行检测。其中硅溶胶组装干燥后，在马弗炉中于800℃处理2h。

2.3检测

用阿基米德法测定孔隙率；采用自制的设备进行纯水通量测试；利用6700F电镜（日本）进行显微结构分析。

3 结果与讨论

3.1有序多孔陶瓷的活性炭功能组装

活性炭具有良好的孔隙结构和巨大的比表面积，是常用的重金属离子吸附剂[7]，这也是由活性炭的结构决定的。活性炭是由类似石墨的碳微晶按“螺层形结构”排列，由微晶间的强烈交联形成了发达的微孔结构，通过活化反应使微孔扩大了许多大小不同的孔隙，孔隙表面一部分被烧掉，结构出现不完整，加之灰分和其它杂原子的存在，使活性炭的基本结构产生缺陷和不饱和价，使氧和其它杂原子吸附于这些缺陷上，因而使活性炭产生各种各样的吸附特性。对活性炭产生重要影响的化学基团主要是含氧官能团和含氮官能团[8]。

实验用于组装的活性炭的配方见表2，对不同浓度的活性碳组装的功能陶瓷膜的断口进行显微结构分析，见图3。从图3中可以看出：当活性炭浓度为10%时，模板含有一定量的活性炭，孔洞中含有较多的填充物，填充效果比较理想。活性炭浓度增加到15%时，孔洞的填充效果不是很好，和图3a相比，孔隙率升高，孔的形状也不太规则，部分原因是活性炭发生了团聚，多孔陶瓷膜的阻隔作用将其阻挡在外，没有填充进去；但同时也发现，有部分的孔填充效果比较理想，这部分孔占到50%左右。出现这种情况，估计是抽滤前分散的力度不够，使得溶液不够均匀。活性炭浓度继续增加到20%时，可以看出，孔洞很不规则，其中的填充物很少，填充效果不理想，原因是在当活性炭浓度增大1倍时，其团聚加剧，多孔陶瓷膜将其阻隔在了孔外边，使得活性炭不能顺利进入有序多孔陶瓷中，从而其组装效率出现下降，这也显示在较低浓度的活性炭组装中其组装效率较高，对重金属离子的吸附能力可能会更好。

3.2有序多孔陶瓷的硅藻土功能组装

传统的废水处理法在处理效率和经济效益方面都还存在比较多的问题，从去除率来看，其中最好的要算吸附法了。吸附法是利用多孔性的或比表面积大的固体材料吸附废水中的有害物质。吸附剂对废水中的污染物质的吸附可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附过程是放热过程，降温有利于吸附，升温有利于解吸。化学吸附是靠化学键力或氢键力进行的，其吸附过程是吸热过程，与物理吸附过程相反，升温有利于吸附。物理吸附和化学吸附往往共存于同一吸附过程中。

硅藻土具有独特的微孔结构，比表面积大、堆密度小、孔体积大，表面被大量硅羚基所覆盖，通常其颗粒表面带有负电荷，因此，在水溶液中可用于吸附金属离子、有机化合物、高分子聚合物，还可以吸附蛋白质。

实验采用硅藻土进行组装的配方如表3所示，对不同浓度的硅藻土组装的功能陶瓷膜的断口进行显微结构分析，结果见图4。

从图4中可以看出：当硅藻土的浓度为6%时，模板含有一定量的填充物，经过对高倍数的图片的观察，可以发现孔中的填充物为硅藻土，但填充效果不是很好，孔隙率还很大。当硅藻土浓度增大为7%时模板的填充效果得到了提高，孔隙率也比图4a要低，对其的高倍数图片进行观察可以看出填充物为硅藻土。当硅藻土浓度增加到8%时，模板的填充效果又得到了进一步的提高，对其高倍数的图像进行观察可以明显看出，孔中的填充物为硅藻土的片状和杆状结构，填充也较为充实。继续增大硅藻土的浓度到9%时，模板的填充效果反而降低，其原因可能是随着硅藻土浓度的增加，硅藻土与活性炭一样会发生团聚，多孔陶瓷膜对其产生了阻隔作用，从而使得孔隙率升高，组装效果不理想。同时，还发现部分孔洞没有独立开，形成连通的孔隙，一定程度上影响了有序多孔功能陶瓷膜的功能。因而可以得出，当硅藻土的浓度为8%时，其功能组装效率较高。

3.3有序多孔陶瓷的硅溶胶功能组装

硅溶胶是一种粒度在30nm左右的溶胶，其渗透性强，通过热处理后有纳米氧化硅产生，形成具有大比表面积的活性点和纳米孔，对吸附和截留重金属离子具有潜在的应用前景。

有序多孔陶瓷分别在纯硅溶胶中组装1~5次后,测定样品的孔隙率、纯水通量，结果见表4；样品的显微结构分析结果见图5。

由表4可以看出，随着硅溶胶组装次数的增加，有序多孔陶瓷膜的孔隙率逐渐减小，这是因为陶瓷膜中硅溶胶含量增加，造成孔直径减小所致.但纯水通量先是减小，后增加,呈现不规律变化，其具体原因还有待进一步的研究。

从图5中可以看出，随着硅溶胶组装次数的增加，有序多孔陶瓷膜的组装效率增大，出现大孔径变小甚至消失现象，这与孔隙率测试结果基本一致。但从其高倍显微结构分析，在组装1次后出现了硅溶胶经过高温处理后形成的纳米孔，这是实验设想需要得到的。因此，采用硅溶胶组装1次后，陶瓷膜具有较好的显微结构。

4 结 论

（1） 10%活性炭组装中其组装效率较高，也显示其对重金属离子的吸附能力可能会更好；

（2） 硅藻土的浓度为8%时，其功能组装效率较高；

（3） 采用硅溶胶组装1次后，陶瓷膜具有较好的显微结构。

参考文献

[1] 薛友祥,王耀明.多孔陶瓷过滤器特性及应用[J].化工装备技术，

1996,17(5):33-35.

[2] 周竹发,钦征骑.固液分离用微孔陶瓷过滤板的性能设计及制备 [J].

江苏陶瓷,2000,33(1):12-14.

[3] 余仁焕.新型过滤介质的开发与应用[J].国外金属矿选矿,1995,

32(12):24-27.

[4] 罗茜,康勇,胡莜敏.过滤介质的研究进展[J].过滤与分离,1995,

14(4):3-6.

[5] 李桂鑫,韩龙.新型高效过滤设备-陶瓷过滤机[J].国外金属矿选

矿,1995,32(7):42-46.

[6] Duan QiWei,DaZhiJian,HaoXiaoMing.etal.Proceedings of the

9thChinese Symposinm on catalysls BeiJing:HaiCao Press.1998:

336-337.

[7] 张洪震.活性炭吸附在环境治理中的应用[J].天津化工,1998,

(4):38-39.

[8] 王爱平,刘中华.活性炭水处理技术及在中国的应用前景[J].昆

明理工大学学报,2002,27(6):49-50.