非水解溶膠-凝膠法制備氧化鋁分離膜研究

張曉琳 裴媛 崔燚 魏穎娜 董占亮 魏恒勇 鄭林波 吳振剛

摘 ?要 ?以無水AlCl3為前驅(qū)體原料，無水乙醇為溶劑及氧供體，PVP為鍍膜助劑，γ-氧化鋁微粉為成膜輔助劑，采用非水解溶膠-凝膠法在多孔氧化鋁陶瓷管表面制備出孔徑較為均勻細小的多孔氧化鋁分離膜。

關(guān)鍵詞 ?非水解凝膠-凝膠法;氧化鋁;分離膜

0 ?引 ?言

多孔陶瓷分離膜具有耐高溫、耐化學腐蝕、機械強度高及易于再生和使用壽命長等優(yōu)點，可以滿足特別苛刻的使用要求，因而日益受到重視[1]。為提高陶瓷膜的滲透性能和適用性，常采用修飾改性技術(shù)對陶瓷膜孔結(jié)構(gòu)進行調(diào)控，例如，沉積第二相組分ZnO、TiO2、SnO2粉體于膜表面來改變其物理化學特能，改善陶瓷膜分離性能[2-5]。非水解溶膠-凝膠法是直接通過反應(yīng)物之間的脫鹵代烷或脫醚縮聚反應(yīng)形成凝膠的合成方法[6]，具有工藝簡單、原料價格低廉，易于合成多孔結(jié)構(gòu)的高活性粉體的特點[7]。因此，本文采用非水解溶膠-凝膠法制備氧化鋁分離膜，并對其進行測試表征。

1 ?實 ?驗

1.1實驗方法

所用原料為無水氯化鋁、乙醇和分子量130萬的PVP等，均為分析純，γ-氧化鋁微粉為工業(yè)級。

量取55 ml乙醇倒入燒杯中，磁力攪拌，稱6.07 gAlCl3在通風櫥中緩慢加入到燒杯中，有少許白煙冒出，溶液變熱，得到白色半透明乳濁液。稱取0.842 gPVP緩慢加入其中，再量取4 mlDMF和16 ml乙醇加入混合液中，繼續(xù)磁力攪拌待PVP全部溶解，得到氧化鋁溶膠-凝膠鍍膜液A。此外，為了提高鍍膜質(zhì)量，將0.8 g氧化鋁微粉加到上述鍍膜液A中，超聲波分散5 min，使Al2O3粉分散更均勻，得到含有氧化鋁微粉的鍍膜液B。

將多孔氧化鋁陶瓷管浸沒在鍍膜液中，采用抽真空輔助鍍膜工藝鍍膜，再經(jīng)80 ℃烘干24 h，進行煅燒處理，升溫以1 ℃/min的升溫速度升溫至350 ℃并保溫1 h，再以1 ℃/min升溫速率至1 000 ℃并保溫2 h，然后自然冷卻至室溫，得到鍍膜多孔氧化鋁陶瓷管。

1.2測試與表征

采用日本 D/MAX2500PC型X射線衍射儀測定產(chǎn)物的物相組成，利用日立公司S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察樣品的形貌，采用馬爾文Mastersizer3000激光粒度儀進行測定樣品粒徑分布。

2 ?結(jié)果與討論

為了確定鍍膜后樣品的煅燒制度，圖1給出了采用非水解溶膠-凝膠工藝所得干凝膠經(jīng)800 ℃、1 000 ℃和1 200 ℃煅燒2 h后的XRD圖譜。

可以看出，凝膠經(jīng)800 ℃煅燒后其XRD圖譜中只觀察到很弱的γ-A12O3物相的衍射峰，且有明顯的無定形相的饅頭峰，這表明凝膠基本沒有發(fā)生結(jié)晶過程，大部分還保持不定型狀態(tài)。當煅燒溫度升高至1 000 ℃時樣品XRD圖譜中γ-A12O3晶體特征衍射峰強度增強，結(jié)晶度更大。當煅燒溫度升高至1 200 ℃時，樣品中的γ-A12O3物相完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣?A12O3晶體。

為了表征不同煅燒溫度下所得氧化鋁粉體的形貌，圖2給出了經(jīng)不同煅燒溫度所制備粉體的SEM照片。可以看出，隨著煅燒溫度升高，氧化鋁粉體顆粒粒徑逐漸增大，當煅燒溫度為1 200 ℃時，氧化鋁粉體的晶粒發(fā)育更加規(guī)整，顆粒較大。結(jié)合XRD及SEM數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)1 000 ℃煅燒顆粒較為細小，且形成一定結(jié)晶度的氧化鋁，故確定鍍膜后陶瓷管的煅燒溫度為1 000 ℃。

采用鍍膜液A鍍膜后的氧化鋁陶瓷管表面SEM照片如圖3所示。從圖3中看出，由于氧化鋁管本身顆粒之間的孔洞尺寸過大，尤其是有5 μm左右的大孔存在，單靠溶膠-凝膠鍍膜難以將其封堵住，且氧化鋁鍍膜中出現(xiàn)了部分開裂，并未形成連續(xù)的支撐膜。

為提高鍍膜效果，在鍍膜液中引入可以封堵氧化鋁陶瓷管表面大孔的γ-氧化鋁微粉，其激光粒度測試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，氧化鋁粉體粒徑分布比較集中1～10 μm，剛好與多孔氧化鋁陶瓷管顆粒間隙尺寸相當，選用此種氧化鋁粉體與鍍膜液A混合制備成鍍膜液B，再采用真空浸漬及后續(xù)熱處理工藝制備出多孔氧化鋁陶瓷分離膜，其SEM微觀形貌如圖5所示。可以看出，使用混合氧化鋁微粉鍍膜溶液后，氧化鋁陶瓷管表面的孔道被氧化鋁細粉和鍍膜層有效地封堵住，使其表面形成了孔徑尺寸較為均勻，無明顯開裂的多孔分離膜層。

3 ?結(jié) ?論

以AlCl3為前驅(qū)體原料，以無水乙醇為溶劑及氧供體，以PVP為鍍膜助劑，γ-氧化鋁粉體為輔助封堵劑，采用非水解-凝膠法結(jié)合真空鍍膜工藝在氧化鋁陶瓷管的表面能夠形成孔徑均勻的陶瓷膜。

參 考 文 獻

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Abstract： Porous alumina membrane with uniform pore size was prepared on the surface of porous alumina ceramic tube by non hydrolytic sol-gel method. ?AlCl3 was used as precursor material， and gamma alumina powder and PVP were used as assistant agent and membrane forming agent.

Key words： Alumina; Separation membrane; Non-hydrolytic sol-gel