有序多孔陶瓷的功能化組裝

摘 要：以多孔陶瓷為過(guò)濾元件的陶瓷過(guò)濾器，已在化工和冶金等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，尤其在含有重金屬離子的廢水處理中具有非常廣闊的前景。本實(shí)驗(yàn)主要研究了以硅藻土、活性炭和硅溶膠作為組裝原料，對(duì)有序多孔陶瓷材料進(jìn)行功能組裝。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在功能組裝過(guò)程中，活性炭和硅藻土填充效果一般；活性炭濃度為10%的組裝效果較為理想，而硅藻土濃度為8%組裝效果較好；隨著硅溶膠組裝次數(shù)增加，陶瓷膜孔隙率下降，組裝1次時(shí)可以得到結(jié)構(gòu)較好的納米多孔材料。

關(guān)鍵詞：有序多孔陶瓷；組裝；活性炭;硅藻土；硅溶膠

1 引 言

多孔陶瓷是微孔過(guò)濾介質(zhì)的一種，具有耐酸堿和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于化工、冶金、汽車(chē)和環(huán)保等領(lǐng)域[2～6]。國(guó)外自50年代起，就開(kāi)始應(yīng)用多孔陶瓷做過(guò)濾元件，用于上、下水凈化，地下鉆井含水層中的泥砂過(guò)濾，各種飲用水、礦泉水除菌，含油氣體凈化等，目前產(chǎn)品已標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。國(guó)內(nèi)對(duì)多孔陶瓷在過(guò)濾技術(shù)中的應(yīng)用研究雖起步較晚， 但目前以多孔陶瓷為過(guò)濾元件的陶瓷過(guò)濾器， 已在各行業(yè)的分離、凈化領(lǐng)域中得到較全面的推廣應(yīng)用。如石化行業(yè)中液-固、氣-固分離；制藥、釀造行業(yè)中的無(wú)菌凈化處理；環(huán)保行業(yè)中高溫?zé)煔獬龎m等。目前， 陶瓷過(guò)濾器以其獨(dú)特的功能特性，在各分離、凈化領(lǐng)域中已成為一種不可替代的產(chǎn)品[1]。

由于自制的有序多孔陶瓷膜的孔徑較大，約100μm左右，這使得其在處理重金屬離子廢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質(zhì)如活性碳、硅藻土和硅溶膠等，縮小其孔徑，提高比表面積，增大對(duì)重金屬離子的吸附。

2 實(shí) 驗(yàn)

2．1原料

本實(shí)驗(yàn)所用原料如表1所示。

2.2工藝流程

本實(shí)驗(yàn)所用到的工藝流程如圖1。將自制備的有序多孔陶瓷膜切成5mm×5mm×15mm的長(zhǎng)條做為組裝模板，同時(shí)將待組裝的原料按配方稱(chēng)好后裝入一小塑料杯中，先用玻璃棒攪拌均勻，盡量不要有沉淀；再放入超聲波清洗機(jī)中分散10min，使溶液呈懸浮狀。將模板一端接真空泵，一端浸入組裝懸浮液中，抽至-0.07個(gè)大氣壓，待氣壓穩(wěn)定后進(jìn)行抽濾，組裝時(shí)間為3min。再將組裝好的試樣，放入烘箱中干燥10h，干燥溫度為70℃，再進(jìn)行檢測(cè)。其中硅溶膠組裝干燥后，在馬弗爐中于800℃處理2h。

2.3檢測(cè)

用阿基米德法測(cè)定孔隙率；采用自制的設(shè)備進(jìn)行純水通量測(cè)試；利用6700F電鏡（日本）進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)分析。

3 結(jié)果與討論

3.1有序多孔陶瓷的活性炭功能組裝

活性炭具有良好的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，是常用的重金屬離子吸附劑[7]，這也是由活性炭的結(jié)構(gòu)決定的。活性炭是由類(lèi)似石墨的碳微晶按“螺層形結(jié)構(gòu)”排列，由微晶間的強(qiáng)烈交聯(lián)形成了發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)活化反應(yīng)使微孔擴(kuò)大了許多大小不同的孔隙，孔隙表面一部分被燒掉，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不完整，加之灰分和其它雜原子的存在，使活性炭的基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷和不飽和價(jià)，使氧和其它雜原子吸附于這些缺陷上，因而使活性炭產(chǎn)生各種各樣的吸附特性。對(duì)活性炭產(chǎn)生重要影響的化學(xué)基團(tuán)主要是含氧官能團(tuán)和含氮官能團(tuán)[8]。

實(shí)驗(yàn)用于組裝的活性炭的配方見(jiàn)表2，對(duì)不同濃度的活性碳組裝的功能陶瓷膜的斷口進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)分析，見(jiàn)圖3。從圖3中可以看出：當(dāng)活性炭濃度為10%時(shí)，模板含有一定量的活性炭，孔洞中含有較多的填充物，填充效果比較理想。活性炭濃度增加到15%時(shí)，孔洞的填充效果不是很好，和圖3a相比，孔隙率升高，孔的形狀也不太規(guī)則，部分原因是活性炭發(fā)生了團(tuán)聚，多孔陶瓷膜的阻隔作用將其阻擋在外，沒(méi)有填充進(jìn)去；但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，有部分的孔填充效果比較理想，這部分孔占到50%左右。出現(xiàn)這種情況，估計(jì)是抽濾前分散的力度不夠，使得溶液不夠均勻。活性炭濃度繼續(xù)增加到20%時(shí)，可以看出，孔洞很不規(guī)則，其中的填充物很少，填充效果不理想，原因是在當(dāng)活性炭濃度增大1倍時(shí)，其團(tuán)聚加劇，多孔陶瓷膜將其阻隔在了孔外邊，使得活性炭不能順利進(jìn)入有序多孔陶瓷中，從而其組裝效率出現(xiàn)下降，這也顯示在較低濃度的活性炭組裝中其組裝效率較高，對(duì)重金屬離子的吸附能力可能會(huì)更好。

3.2有序多孔陶瓷的硅藻土功能組裝

傳統(tǒng)的廢水處理法在處理效率和經(jīng)濟(jì)效益方面都還存在比較多的問(wèn)題，從去除率來(lái)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積大的固體材料吸附廢水中的有害物質(zhì)。吸附劑對(duì)廢水中的污染物質(zhì)的吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附過(guò)程是放熱過(guò)程，降溫有利于吸附，升溫有利于解吸。化學(xué)吸附是靠化學(xué)鍵力或氫鍵力進(jìn)行的，其吸附過(guò)程是吸熱過(guò)程，與物理吸附過(guò)程相反，升溫有利于吸附。物理吸附和化學(xué)吸附往往共存于同一吸附過(guò)程中。

硅藻土具有獨(dú)特的微孔結(jié)構(gòu)，比表面積大、堆密度小、孔體積大，表面被大量硅羚基所覆蓋，通常其顆粒表面帶有負(fù)電荷，因此，在水溶液中可用于吸附金屬離子、有機(jī)化合物、高分子聚合物，還可以吸附蛋白質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)采用硅藻土進(jìn)行組裝的配方如表3所示，對(duì)不同濃度的硅藻土組裝的功能陶瓷膜的斷口進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4中可以看出：當(dāng)硅藻土的濃度為6%時(shí)，模板含有一定量的填充物，經(jīng)過(guò)對(duì)高倍數(shù)的圖片的觀察，可以發(fā)現(xiàn)孔中的填充物為硅藻土，但填充效果不是很好，孔隙率還很大。當(dāng)硅藻土濃度增大為7%時(shí)模板的填充效果得到了提高，孔隙率也比圖4a要低，對(duì)其的高倍數(shù)圖片進(jìn)行觀察可以看出填充物為硅藻土。當(dāng)硅藻土濃度增加到8%時(shí)，模板的填充效果又得到了進(jìn)一步的提高，對(duì)其高倍數(shù)的圖像進(jìn)行觀察可以明顯看出，孔中的填充物為硅藻土的片狀和桿狀結(jié)構(gòu)，填充也較為充實(shí)。繼續(xù)增大硅藻土的濃度到9%時(shí)，模板的填充效果反而降低，其原因可能是隨著硅藻土濃度的增加，硅藻土與活性炭一樣會(huì)發(fā)生團(tuán)聚，多孔陶瓷膜對(duì)其產(chǎn)生了阻隔作用，從而使得孔隙率升高，組裝效果不理想。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)部分孔洞沒(méi)有獨(dú)立開(kāi)，形成連通的孔隙，一定程度上影響了有序多孔功能陶瓷膜的功能。因而可以得出，當(dāng)硅藻土的濃度為8%時(shí)，其功能組裝效率較高。

3.3有序多孔陶瓷的硅溶膠功能組裝

硅溶膠是一種粒度在30nm左右的溶膠，其滲透性強(qiáng)，通過(guò)熱處理后有納米氧化硅產(chǎn)生，形成具有大比表面積的活性點(diǎn)和納米孔，對(duì)吸附和截留重金屬離子具有潛在的應(yīng)用前景。

有序多孔陶瓷分別在純硅溶膠中組裝1~5次后，測(cè)定樣品的孔隙率、純水通量，結(jié)果見(jiàn)表4；樣品的顯微結(jié)構(gòu)分析結(jié)果見(jiàn)圖5。

由表4可以看出，隨著硅溶膠組裝次數(shù)的增加，有序多孔陶瓷膜的孔隙率逐漸減小，這是因?yàn)樘沾赡ぶ泄枞苣z含量增加，造成孔直徑減小所致.但純水通量先是減小，后增加，呈現(xiàn)不規(guī)律變化，其具體原因還有待進(jìn)一步的研究。

從圖5中可以看出，隨著硅溶膠組裝次數(shù)的增加，有序多孔陶瓷膜的組裝效率增大，出現(xiàn)大孔徑變小甚至消失現(xiàn)象，這與孔隙率測(cè)試結(jié)果基本一致。但從其高倍顯微結(jié)構(gòu)分析，在組裝1次后出現(xiàn)了硅溶膠經(jīng)過(guò)高溫處理后形成的納米孔，這是實(shí)驗(yàn)設(shè)想需要得到的。因此，采用硅溶膠組裝1次后，陶瓷膜具有較好的顯微結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 論

（1） 10%活性炭組裝中其組裝效率較高，也顯示其對(duì)重金屬離子的吸附能力可能會(huì)更好；

（2） 硅藻土的濃度為8%時(shí)，其功能組裝效率較高；

（3） 采用硅溶膠組裝1次后，陶瓷膜具有較好的顯微結(jié)構(gòu)。

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