一種高孔隙率氧化鋁陶瓷過濾器的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種共沉淀-冷凍升華工藝制備氧化鋁陶瓷過濾器的方法，更確切地說涉及以共沉淀粉體合成方法結(jié)合冷凍升華成型工藝制備高孔隙率氧化鋁陶瓷過濾器的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]冶金、機械、化工、電力等行業(yè)的各種工業(yè)爐窯所排放出來的高溫含塵氣體不僅溫度高(500?1200°C)，而且含有大量的粉塵(5?30 μ m)和腐蝕還原性氣體，是造成環(huán)境污染的主要因素之一。高溫條件下，由于含塵氣體粘滯力有較大變化，濕度大幅下降，細顆粒凝聚現(xiàn)象大為降低，所以對微粒的分離有較高難度。布袋式除塵器不能承受含塵氣體的高溫，濕式除塵使其熱能又不能得到綜合利用；靜電除塵又存在一次投資高，占地面積大和絕緣等方面的問題。目前，我國高溫工業(yè)含塵氣體的處理方法大多是通過水冷凝，將高溫廢氣降至200°C左右，再用布袋除塵器除塵，這不僅增加了冷凝設(shè)備的投資和運行費用，也使大量的熱能流失。因此，高溫含塵氣體陶瓷過濾器的開發(fā)與利用具有較好的前景。
[0003]隨著多孔陶瓷研究工作的不斷深入，其制備技術(shù)也不斷豐富、完善。多孔陶瓷的制備技術(shù)直接決定了陶瓷的結(jié)構(gòu)和使用性能。常見的有擠壓成型法、發(fā)泡法、添加造孔劑法、溶膠-凝膠法、有機泡沫浸潰法等。擠壓成型法制備的多孔陶瓷，其孔形狀、孔隙尺寸分布均勻，但不適于制備孔隙尺寸小于Imm的多孔陶瓷；添加造孔劑法制備多孔陶瓷，其氣孔分布均勻性差，不適合制備高孔隙率的制品；發(fā)泡法添加有機或無機造孔劑，通過物理或化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生揮發(fā)性氣體而產(chǎn)生泡沫，經(jīng)干燥和燒結(jié)后制成多孔陶瓷，不適于制備具有貫通孔隙結(jié)構(gòu)的制品；有機泡沫浸潰法制備多孔陶瓷，其孔尺寸主要取決于有機泡沫體的孔尺寸，其制品不能實現(xiàn)微小顆粒的過濾；溶膠-凝膠法通過相變或化學(xué)反應(yīng)獲得孔隙，孔隙尺寸為納米級，孔隙率較低。由于上述工藝自身的限制，所獲得的孔隙尺寸及孔隙率被局限在一定范圍內(nèi)，難以制備微米級孔隙尺寸、高孔隙率、高強度的多孔陶瓷過濾器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述技術(shù)現(xiàn)狀，本發(fā)明的目的是利用共沉淀-冷凍升華工藝制備高孔隙率、孔隙定向排列的氧化鋁陶瓷過濾器，以滿足高溫含塵氣體過濾器對孔隙率、孔隙尺寸及強度的要求。本發(fā)明制備氧化鋁陶瓷過濾器的方法，包括氧化鋁復(fù)合粉料的制備、氧化鋁陶瓷漿料的制備、漿料的冷凍成型、冷凍坯體的升華干燥及干燥坯體的燒結(jié)。具體步驟如下:
[0005]( I)高性能氧化鋁復(fù)合粉料的制備
[0006]①將可溶性的鋁鹽、鎂鹽、鈦鹽、釔鹽、鑭鹽、鈰鹽分別溶于去離子水中，在常壓、溫度70-75°C條件下，將上述溶液中的一種或幾種與氨水溶液滴加并流形成混合液，控制氨水溶液的流量，使混合溶液的PH在8.5-9之間，直至溶液滴加完成。
[0007]②將上述混合物溶液進行真空抽濾，去離子水清洗，將沉淀物于100°C烘干；
[0008]③將干燥的混合物在1100-1300°C煅燒后，經(jīng)粉碎、過篩得氧化鋁復(fù)合粉料。
[0009](2)氧化鋁陶瓷漿料的制備
[0010]①預(yù)混液的制備:將叔丁醇溶劑、分散劑、粘結(jié)劑按重量份額100:0.1-5:0.1-5的比例，在35 °C恒溫水浴中進行混合，制備預(yù)混液。
[0011]②將氧化鋁粉料與預(yù)混液按重量份額100:20-360的比例進行恒溫球磨，球磨溫度40°C，時間2h，配制漿料。
[0012]③真空除泡。將混合均勻的漿料，在真空條件下去除漿料中的氣泡。
[0013](3)漿料的冷凍成型
[0014]將聚乙烯模具放置于冷凍裝置上l_5min后，將制備好的漿料倒入模具中進行冷凍成型，模具底部溫度0°c以下，模具頂部溫度為室溫，冷凍時間5min-2h。
[0015]將冷凍成型的坯體于_20°C條件下冷凍l_6h后脫模。
[0016](4)冷凍坯體的升華干燥
[0017]將脫模后的坯體放置于真空冷凍干燥機中，進行升華干燥。真空度< 150Pa，溫度為室溫，時間8-48h。
[0018](5)干燥坯體的燒結(jié)。
[0019]①低溫排燒:升華干燥后的坯體在馬弗爐中以0.5-2 0C /min的升溫速率至600 °C、保溫30min-6h進行排燒，去除坯體中的叔丁醇溶劑及其他有機物，然后升溫至1200°C并保溫2-8h，使坯體具備一定的強度，避免在操作過程中開裂。
[0020]②高溫?zé)Y(jié):將步驟①制得的坯體放入高溫馬弗爐內(nèi)，以2-10°C /min升溫至1350-1550°C保溫2-8h，然后隨爐冷卻，得到氧化鋁陶瓷過濾器。
[0021 ] 所述粘結(jié)劑為乙基纖維素、聚乙烯縮丁醛PVB、阿拉伯樹膠中的一種或幾種。
[0022]所述分散劑為可溶于醇的聚乙二醇PEG或檸檬酸。
[0023]使用本發(fā)明提供方法制備的氧化鋁陶瓷過濾器，具有較高的孔隙率和定向貫通的孔隙結(jié)構(gòu)，開孔孔隙率40-90%之間，孔隙尺寸1-200微米，孔隙高度定向排列，強度0.5-67.5MPa。
[0024]綜上所述，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0025](I)使用共沉淀-冷凍升華工藝便于制備高孔隙率、孔隙定向排列的微米級孔隙的多孔陶瓷；
[0026](2)高性能氧化鋁復(fù)合粉體，可以降低氧化鋁的燒結(jié)溫度；
[0027](3)本發(fā)明制備的陶瓷過濾器孔隙率40-90%，孔徑尺寸1_200微米，孔徑大小及孔隙率易于控制；
[0028](4)本發(fā)明制備的陶瓷最高使用溫度可達1200度以上；
[0029](5)本發(fā)明制備的氧化鋁陶瓷過濾器，多次使用后，可通過簡單的反吹工藝處理而重復(fù)使用。
【具體實施方式】
[0030]實施例1
[0031](I)高性能氧化鋁復(fù)合粉料的制備，
[0032]①將200g分析純的AlCl3.6H20溶于IL去離子水中制得溶液Al，將8g分析純的Mg(NO3)2.6H20溶于10ml去離子水制得溶液BI，將5g分析純的La(NO3)3.6H20溶于10m去離子水中制得溶液E1，溶度為25-28%的氨水溶液為G1，在常壓、溫度70_75°C條件下，將AUBUEl溶液滴加并流形成混合液，控制Gl溶液的流量，使混合溶液的PH在8.5-9之間，直至Al、B1、El溶液滴加完成。
[0033]②將上述混合物溶液進行真空抽濾，去離子水清洗，將沉淀物于100°C烘干；
[0034]③將干燥的混合物在1200°C煅燒后，經(jīng)粉碎、過篩得氧化鋁復(fù)合粉料。
[0035](2)氧化鋁陶瓷漿料的制備
[0036]①預(yù)混液的制備:將叔丁醇溶劑、檸檬酸、聚乙烯縮丁醛按100:1.5:1的比例，在35°C恒溫水浴中進行混合，制備預(yù)混液。
[0037]②將氧化鋁復(fù)合粉料與預(yù)混液按1:1的比例進行恒溫球磨，球磨溫度40°C，時間2h，配制漿料。
[0038]③真空除泡。將混合均勻的漿料，在真空條件下去除漿料中的氣泡。
[0039]( 3 )漿料的冷凍成型
[0040]將聚乙烯模具放置于自制冷凍裝置上2min后，將制備好的漿料倒入模具中進行冷凍成型，模具底部溫度0°c，模具頂部溫度為15-20°c，冷凍時間30min。
[0041]將冷凍成型的坯體于-20°C條件下冷凍2h后脫模。
[0042](4)冷凍坯體的升華干燥
[0043]將脫模后的坯體放置于真空冷凍干燥機中，進行升華干燥。真空度< 150Pa，溫度為室溫，時間24h。
[0044](5)干燥坯體的燒結(jié)。
[0045]①低溫排燒:升華干燥后的坯體在馬弗爐中以1°C /min的升溫速率至600°C、保溫2h進行排燒，去除坯體中的叔丁醇溶劑及其他有機物，然后升溫至1200°C并保溫2h，使坯體具備一定的強度，避免在操作過程中開裂。
[0046]②高溫?zé)Y(jié):將坯體放入高溫馬弗爐內(nèi)，以2°C /min升溫至1350°C保溫4h，然后隨爐冷卻，得到氧化鋁陶瓷過濾器。
[0047]實施例2
[0048]( I)高性能氧化鋁復(fù)合粉料的制備
[0049]①將180g分析純的AlCl3.6H20溶于IL去離子水中制得溶液A2，將6g分析純的Mg(NO3)2.6H20溶于10ml去離子水中制得溶液B2，將4g分析純的TiCl4溶于200ml去離子水制得溶液C2，溶度為25-28%的氨水溶液為G2，在常壓、溫度70_75°C條件下，將A2、B2、C2溶液滴加并流形成混合液，控制G2溶液的流量，使混合溶液的PH在8.5-9之間，直至A2、B2、C2溶液滴加完成。
[0050]②將上述混合物溶液進行真空抽濾，去離子水清洗，將沉淀物于100°C烘干；
[0051]③將干燥的混合物在1300°C煅燒后，經(jīng)粉碎、過篩得氧化鋁復(fù)合粉料。
[0052](2)氧化鋁陶瓷漿料的制備
[0053]①預(yù)混液的制備:將叔丁醇溶劑、檸檬酸、聚乙烯縮丁醛按100:1:0.6的比例，在35°C恒溫水浴中進行混合，制備預(yù)混液。
[0054]②將氧化鋁復(fù)合粉料與預(yù)混液按90:100的比例進行恒溫球磨，球磨溫度40°C，時間2h，配制漿料。
[0055]③真空除泡。將混合均勻的漿料，在真空條件下去除漿料中的氣泡。
[0056]( 3 )漿料的冷凍成型
[0057]將聚乙烯模具放置于自制冷凍裝置上2min后，將制備好的漿料倒入模具中進行冷凍成型，模具底部溫度_5°C，模具頂部溫度為15-20°C，冷凍時間30min。
[0058]將冷凍成型的坯體于_20°C條件下冷凍2h后脫模。
[0059](4)冷凍坯體的升華干燥
[0060]將脫模后的坯體放置于真空冷凍干燥機中，進行升華干燥。真空度< 150Pa，溫度為室溫，時間18h。
[0061](5)干燥坯體的燒結(jié)。
[0062]①低溫排燒:升華干燥后的坯體在馬弗爐中以1°C /min的升溫速率至600°C、保溫Ih進行排燒，去除坯體中的叔丁醇溶劑及其他有機物，然后升溫至1200°C并保溫2h，使坯體具備一定的強度，避免在操作過程中開裂。
[0063]②高溫?zé)Y(jié):將坯體放入高溫馬弗爐內(nèi)，以2°C /min升溫至1450°C保溫4h，然后隨爐冷卻，得到氧化鋁陶瓷過濾器。
[0064]實施例3
[0065]( I)高性能氧化鋁復(fù)合粉料的制備
[0066]①將150g分析純的AlCl3.6H20溶于IL去離子水中制得溶液A3，將5g分析純的Mg(NO3)2.6H20溶于10ml去離子水制得溶液B3，將4分析純的TiCl4溶于10ml去離子水制得溶液C3，將8g分析純的Ce (NO3) 3.6H20溶于10ml去離子水中制得溶液F3，溶度為25-28%的氨水溶液為G3，在常壓、溫度70-75°C條件下，上述溶液滴加并流形成混合液，控制G3溶液的流量，使混合溶液的PH在8.5-9之間，直至A3、B3、C3、F3溶液滴加完成。
[0067]②將上述混合物溶液進行真空抽濾，去離子水清洗，將沉淀物于100°C烘干；
[0068]③將干燥的混合物在1250°C煅燒后，經(jīng)粉碎、過篩得氧化鋁復(fù)合粉料。
[0069](2)氧化鋁陶瓷漿料的制備
[0070]①預(yù)混液的制