HTQ型陶瓷膜过滤器的开发应用

周益平

（江苏省宜兴非金属化工机械厂有限公司，宜兴214221）

国内化工行业硫酸法生产钛白粉的工艺中，制得的偏钛酸都采用叶片真空吸滤器进行过滤，滤饼用水洗涤。因此，细微的偏钛酸穿过滤布流失。目前，我国钛白粉生产企业大多采用自然沉降法，回收滤液中的偏钛酸粒子。但由于细小的偏钛酸粒子呈悬浮状，沉降速度慢，不仅需要大面积的沉降设备，而且回收不完全。排出的废酸和废水中含有微米级的偏钛酸粒子，既污染了环境又损失了昂贵的偏钛酸粒子。因此，废酸和废水的回收利用成为国内钛白粉生产企业急需解决的课题。

1 HTQ型陶瓷膜过滤器的开发，其关键技术是多孔陶瓷无机膜管的研制。

1.1 实验

（1）样品的制备

单管与多通道管状陶瓷膜的制备：用α-Al2O3粉料和适当的有机聚合物粘结剂、溶剂、增塑剂和润滑剂等添加剂混合制成塑性坯料，在真空挤管机上挤管，管坯经干燥后进窑炉烧成。

（2）样品的表征

用Archimede法（GB1966-80多孔陶瓷显气孔率方法）测定样品的开孔率和总孔率（α-Al2O3理论密度为3.97 g/cm3）。以泡点法测定样品孔径大小和分布；X-650型扫描电子显微镜观察样品的微结构：采用自制的装置测试样品的爆破压力。

2 结果与讨论

2.1 氧化铝粉粒径对多孔α-Al2O3陶瓷的影响

采用不同粒径的氧化铝粉为原料，以粒径＜1μm的碳粉为成孔剂，用量10%，在10MPa的压力下成型，试样的烧结温度为1300℃，烧结时间为7.5小时，样品的孔隙率见图1。

从图中可看出，原料粉的粒径大小对试样孔隙影响不太大，而试样的平均孔径却随着原料的粒径增大而增大。但从α-Al2O3的粒径和孔径大小关系来看，（见图2）可看出试样的平均孔径随着原料的粒径增大而增大。从Al2O3的粒径和孔径的大小关系看，图2所示的一定粒径的原料粉所对应的孔径，比理想等径球堆积模型所得到的孔径小。因此实验中使用的α-Al2O3粉有一定的粒径分布，粒径堆积时小粒子填充到大粒子的间隙中，导致孔径变小，另外原料粒子的形状不规则，有些颗粒通过面与面结合方式堆积，得到的孔相对较小。

由此可见，原料粉的粒径与形状对样品影响很大，试样的平均孔径随原料粉的粒径增大而增大，但孔隙率变化不大，孔径的大小不仅决定于原料粉的粒径，而且与粒子的形状及分布有关。

图1 α-Al2O3样品的孔隙率

图2 平均孔径与粒径的关系

2.2 成孔剂的量对多孔α-Al2O3陶瓷的影响

为研究成孔剂的用量对多孔陶瓷的影响，实验中用平均粒径0．6μm 的氧化铝粉，添加不同量的粒径＜1μm的成孔剂碳粉，成型压力195MPa，烧结温度1200℃，烧结时间9h。

从试样的成孔剂添加量与孔隙率及孔径分布的关系，可以看出随着成孔剂的增加，孔隙率逐步增大。这是由于成孔剂填充α-Al2O3颗粒堆积间隙，使颗粒的接触面积减小。在烧结时，颗粒间产生“颈缩”后，留下的孔隙相应增加。

随着成孔剂的增加，试样的孔径向大的方向移动，同时孔径分布也变宽，成孔剂量增大时，与原料混和的不均匀趋势增加，因而孔径分布变宽。

从开口气孔率和总气孔率接近程度看，成孔剂量以20%为佳；但从孔径分布看，则以10%的量较好。所以添加成孔剂要根据实际情况来确定。

2.3 多孔陶瓷管的微结构及强度

采用挤压成型的多孔陶瓷管，从剖开的样品看，颗粒呈烧结成颈的微结构，经测定，所制备的多孔陶瓷管的爆破压力＞4.5MPa，已超过国际上商品化产品指标（＞3.0MPa）。

2.4 烧成制度与多孔陶瓷管的孔隙率和孔径分布关系

采用不同的烧结温度得到样品的开口气孔率、闭口气孔率、总气孔率。可见，在一定的烧结温度下，多孔陶瓷管具有较高的气孔率（开孔率＞42%）；随着烧结温度的提高，开口气孔率从44%降到42．09%，而闭口气孔率保持在6%左右。

2.5 多孔陶瓷膜用于液体分离，必须有大的渗透通量

利用毛细管模型进行分析，假设膜的孔径为圆形通孔，所有的孔与模面垂直，膜面积为A（m2），厚度L（m），膜面上的孔数为n，孔隙率为ε，圆形通孔的半径r(m)，则有

当粘度为 μ（Pa·S）的流体，在压差 ΔP（Pa）的推动下，以平均流速V（m/s）通过膜的毛细孔，则流量Q（m3/s）表示为

单位面积的通量（J）为

其实膜孔并非垂直通孔，需用曲折因子τ加以修正，则上式变为

从上式可见，流体的渗透量不仅与膜孔半径r，孔隙率ε，曲折因子τ及膜厚L有关，而且还与渗透压差ΔP及流体的粘度μ有关。

试样中的二种多孔管膜的特征常数和渗透量见表1。

表1 α-Al2O3多孔管膜的特性常数和渗透通量

2.6 以挤压成型和烧结，成功地制备出管状多通道陶瓷过滤膜，管膜的孔隙率＞45%，孔径分布均匀，抗张强度大。

3 结论

3.1 该机过滤介质多孔陶瓷过滤膜，在压力的作用下，原料液在膜管内或膜外侧流动，小分子物质或液体透出膜，大分子物质被膜载留达到分离与过滤。陶瓷过滤膜化学稳定性好，耐酸碱和有机溶剂；耐高温抗污染；过滤阻力小，分离效率高；强度大、易再生；净化成本低，使用寿命长。

HTQ陶瓷过滤器结构合理，由主机外壳、多孔陶瓷无机膜管、电脑自动控制反冲清膜系统、气动系统等构成，自动化程度高，反冲清膜效果好，滤液清澈透明。

3.2 在国内多家硫酸生产企业，建立了日处理200吨以上的废酸过滤装置，成功地解决了偏钛酸的废酸和废水问题，回收了昂贵的偏钛酸粒子和废酸，为企业创造了效益。其工艺流程如图3。

图3 钛白粉厂废酸、废水净化回收工艺流程

3.3 HTQ型陶瓷膜过滤器单台过滤面积5m2，容积1.15m3，二台并联，过滤压力 0.8～1.5MPa，过滤精度 0.5～3μm，过滤量 8m3～12m3。

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