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，采用固相燒結反應法制備了強度和耐酸堿腐蝕性較好的α-Al2O3微濾膜。實驗探討了添加劑的種類、燒結制度對微濾膜耐酸堿腐蝕性的影響。結果表明，采用固相燒結反應法，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)催化等領域得到廣泛應用，隨著應用范圍的擴大，工業(yè)化對微濾膜的耐酸堿性能要求也越高[1]。目前，關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，而對陶瓷微濾膜耐酸堿腐蝕性能研究的報道不多。根據(jù)文獻報道，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)有關外，還與顆粒間晶界相的性質(zhì)有關。為了便于成型和降低微濾膜的燒成溫度，在無機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械強度高、耐酸堿腐蝕等優(yōu)點，而α-Al2O3粉又具有很好的耐腐蝕性能[5]。因此，本實驗室通過控制微濾膜中α-Al2O3顆粒周圍晶界相的組成，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，通過這種方法可以使得微濾膜在獲得機械性能的同時，提高其耐酸堿性能。

2 實驗部分

2.1 實驗原料

實驗采用α-Al2O3粉為微濾膜基礎原料，鈦白粉、輕燒MgO粉和自制的鈦溶膠為微濾膜添加劑。

2.2 實驗方案簡述

以20μm α-Al2O3粉為主要原料，采用固相燒結反應法，通過五組實驗（見表1）制備具有微孔結構的A12O3微濾膜。并將五組配方的產(chǎn)品進行對比，對微濾膜的耐酸堿腐蝕進行探討。

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圖1。

2.4 耐酸堿性能測試

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

表1 實驗方案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，取出浸漬后的樣品用純凈水清洗干燥稱取樣品質(zhì)量M2。

（3）微濾膜的腐蝕率計算公式：P=（M1-M2）/M1。

3 結果分析與討論

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

實驗測試了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溫度及不同酸堿濃度下的耐酸堿腐蝕性，測試結果如圖2所示。

圖2結果顯示，隨著燒結溫度升高，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，這是因為鈦白粉晶粒較大，與α-Al2O3粉反應主要依賴于相互擴散進行反應，在實驗溫度下反應不完全，而添加了燒結助劑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，有助于結構的致密性，化學穩(wěn)定性增加，提高了其耐酸堿性。

實驗結果表明，Al2O3-鈦溶膠體系微濾膜具有較好的耐酸堿腐蝕性，在制備過程中鈦溶膠包覆在α-Al2O3粉體表面，且晶粒尺寸為納米級，能與α-Al2O3粉均勻地反應，提高微濾膜的化學穩(wěn)定性，并隨煅燒溫度的提高，反應更為完全，耐酸堿性更強，在燒結溫度1500℃下，Al2O3-鈦溶膠體系微濾膜在強酸、強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。

3.1.2 鋁鎂系列微濾膜的耐酸堿性研究

表2 孔隙率及強度測試結果Tab.2 Results of the porosity and flexural strength

實驗測試了4#Al2O3-MgO體系和5#Al2O3-MgO-ZnO2體系微濾膜的耐酸堿腐蝕性，測試結果如圖3所示。

圖3結果顯示，鋁鎂系列微濾膜與鋁鈦系列微濾膜有著相同變化趨勢，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。

燒結溫度越高，MgO與Al2O3之間反應更強，且燒結程度也越高，促使微濾膜的結構致密度增大，從而提高微濾膜的耐腐蝕性。根據(jù)前文分析，在燒結過程中，燒結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合性，使微濾膜致密性和抗折強度均有所提高，微濾膜耐酸堿腐蝕性能也隨之增強。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，燒結溫度1600℃下，Al2O3-MgO-ZnO2體系載體在強酸溶液中耐腐蝕性約為0.002%、在強堿溶液中腐蝕率約為0.001%。

3.2 微濾膜孔隙率及強度影響分析

實驗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，測試不同燒結溫度下孔隙率及強度變化，實驗結果如表2。

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

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

4 結論

（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，且耐酸強于耐堿，于1450℃下煅燒，其孔隙率為26%，抗折強度為50Mpa。

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

1 徐南平.無機膜的發(fā)展與展望.化工進展,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.無機材料學報,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.中國科學技術大學學報,1997,27(2):181～18

5 劉國祥.影響氧化鋁陶瓷燒結的因素分析.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

科技部國際科技合作項目（編號：2009DFB50490）,江西省教育廳項目（編號：GJJ08510）

汪永清，E-mail:wyq8248@126.com

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