有序多孔陶瓷的功能化組裝

摘 要：以多孔陶瓷為過濾元件的陶瓷過濾器，已在化工和冶金等領域得到廣泛的應用，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。本實驗主要研究了以硅藻土、活性炭和硅溶膠作為組裝原料，對有序多孔陶瓷材料進行功能組裝。實驗結果表明：在功能組裝過程中，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增加，陶瓷膜孔隙率下降，組裝1次時可以得到結構較好的納米多孔材料。

關鍵詞：有序多孔陶瓷；組裝；活性炭;硅藻土；硅溶膠

1 引 言

多孔陶瓷是微孔過濾介質的一種，具有耐酸堿和使用壽命長等特點[1]，廣泛應用于化工、冶金、汽車和環保等領域[2～6]。國外自50年代起，就開始應用多孔陶瓷做過濾元件，用于上、下水凈化，地下鉆井含水層中的泥砂過濾，各種飲用水、礦泉水除菌，含油氣體凈化等，目前產品已標準化、系列化。國內對多孔陶瓷在過濾技術中的應用研究雖起步較晚， 但目前以多孔陶瓷為過濾元件的陶瓷過濾器， 已在各行業的分離、凈化領域中得到較全面的推廣應用。如石化行業中液-固、氣-固分離；制藥、釀造行業中的無菌凈化處理；環保行業中高溫煙氣除塵等。目前， 陶瓷過濾器以其獨特的功能特性，在各分離、凈化領域中已成為一種不可替代的產品[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，增大對重金屬離子的吸附。

2 實 驗

2．1原料

本實驗所用原料如表1所示。

2.2工藝流程

本實驗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的長條做為組裝模板，同時將待組裝的原料按配方稱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個大氣壓，待氣壓穩定后進行抽濾，組裝時間為3min。再將組裝好的試樣，放入烘箱中干燥10h，干燥溫度為70℃，再進行檢測。其中硅溶膠組裝干燥后，在馬弗爐中于800℃處理2h。

2.3檢測

用阿基米德法測定孔隙率；采用自制的設備進行純水通量測試；利用6700F電鏡（日本）進行顯微結構分析。

3 結果與討論

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構和巨大的比表面積，是常用的重金屬離子吸附劑[7]，這也是由活性炭的結構決定的。活性炭是由類似石墨的碳微晶按“螺層形結構”排列，由微晶間的強烈交聯形成了發達的微孔結構，通過活化反應使微孔擴大了許多大小不同的孔隙，孔隙表面一部分被燒掉，結構出現不完整，加之灰分和其它雜原子的存在，使活性炭的基本結構產生缺陷和不飽和價，使氧和其它雜原子吸附于這些缺陷上，因而使活性炭產生各種各樣的吸附特性。對活性炭產生重要影響的化學基團主要是含氧官能團和含氮官能團[8]。

實驗用于組裝的活性炭的配方見表2，對不同濃度的活性碳組裝的功能陶瓷膜的斷口進行顯微結構分析，見圖3。從圖3中可以看出：當活性炭濃度為10%時，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，孔洞的填充效果不是很好，和圖3a相比，孔隙率升高，孔的形狀也不太規則，部分原因是活性炭發生了團聚，多孔陶瓷膜的阻隔作用將其阻擋在外，沒有填充進去；但同時也發現，有部分的孔填充效果比較理想，這部分孔占到50%左右。出現這種情況，估計是抽濾前分散的力度不夠，使得溶液不夠均勻。活性炭濃度繼續增加到20%時，可以看出，孔洞很不規則，其中的填充物很少，填充效果不理想，原因是在當活性炭濃度增大1倍時，其團聚加劇，多孔陶瓷膜將其阻隔在了孔外邊，使得活性炭不能順利進入有序多孔陶瓷中，從而其組裝效率出現下降，這也顯示在較低濃度的活性炭組裝中其組裝效率較高，對重金屬離子的吸附能力可能會更好。

3.2有序多孔陶瓷的硅藻土功能組裝

傳統的廢水處理法在處理效率和經濟效益方面都還存在比較多的問題，從去除率來看，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。吸附劑對廢水中的污染物質的吸附可分為物理吸附和化學吸附。物理吸附過程是放熱過程，降溫有利于吸附，升溫有利于解吸。化學吸附是靠化學鍵力或氫鍵力進行的，其吸附過程是吸熱過程，與物理吸附過程相反，升溫有利于吸附。物理吸附和化學吸附往往共存于同一吸附過程中。

硅藻土具有獨特的微孔結構，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電荷，因此，在水溶液中可用于吸附金屬離子、有機化合物、高分子聚合物，還可以吸附蛋白質。

實驗采用硅藻土進行組裝的配方如表3所示，對不同濃度的硅藻土組裝的功能陶瓷膜的斷口進行顯微結構分析，結果見圖4。

從圖4中可以看出：當硅藻土的濃度為6%時，模板含有一定量的填充物，經過對高倍數的圖片的觀察，可以發現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。當硅藻土濃度增大為7%時模板的填充效果得到了提高，孔隙率也比圖4a要低，對其的高倍數圖片進行觀察可以看出填充物為硅藻土。當硅藻土濃度增加到8%時，模板的填充效果又得到了進一步的提高，對其高倍數的圖像進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構，填充也較為充實。繼續增大硅藻土的濃度到9%時，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發生團聚，多孔陶瓷膜對其產生了阻隔作用，從而使得孔隙率升高，組裝效果不理想。同時，還發現部分孔洞沒有獨立開，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，當硅藻土的濃度為8%時，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，通過熱處理后有納米氧化硅產生，形成具有大比表面積的活性點和納米孔，對吸附和截留重金屬離子具有潛在的應用前景。

有序多孔陶瓷分別在純硅溶膠中組裝1~5次后，測定樣品的孔隙率、純水通量，結果見表4；樣品的顯微結構分析結果見圖5。

由表4可以看出，隨著硅溶膠組裝次數的增加，有序多孔陶瓷膜的孔隙率逐漸減小，這是因為陶瓷膜中硅溶膠含量增加，造成孔直徑減小所致.但純水通量先是減小，后增加，呈現不規律變化，其具體原因還有待進一步的研究。

從圖5中可以看出，隨著硅溶膠組裝次數的增加，有序多孔陶瓷膜的組裝效率增大，出現大孔徑變小甚至消失現象，這與孔隙率測試結果基本一致。但從其高倍顯微結構分析，在組裝1次后出現了硅溶膠經過高溫處理后形成的納米孔，這是實驗設想需要得到的。因此，采用硅溶膠組裝1次后，陶瓷膜具有較好的顯微結構。

4 結 論

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

（2） 硅藻土的濃度為8%時，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構。

參考文獻

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