α-Al2O3微滤膜耐酸碱腐蚀性研究

汪永清 汪锦明 施群 陈紫谦 饶卉

(景德镇陶瓷学院，景德镇： 333001)

α-Al2O3微滤膜耐酸碱腐蚀性研究

汪永清 汪锦明 施群 陈紫谦 饶卉

(景德镇陶瓷学院，景德镇： 333001)

以20μmα-Al2O3粉为主要原料，钛白粉、轻烧MgO粉和钛溶胶为微滤膜添加剂，采用固相烧结反应法制备了强度和耐酸碱腐蚀性较好的α-Al2O3微滤膜。实验探讨了添加剂的种类、烧结制度对微滤膜耐酸碱腐蚀性的影响。结果表明，采用固相烧结反应法，α-Al2O3粉中加入5%钛溶胶，经1450℃煅烧，可制备孔隙率为26%，强度为50MPa耐酸碱腐蚀性较好的α-Al2O3-钛溶胶体系微滤膜；α-Al2O3粉中加入4%轻烧MgO粉和1%ZnO2，经1500℃煅烧,可制备孔隙率为25%，强度为80MPa耐酸碱腐蚀性较好的Al2O3-MgO-ZnO2体系微滤膜。

氧化铝，微滤膜，耐酸碱性，钛溶胶，MgO粉

1 前言

陶瓷微滤膜在水处理、气体分离、液体分离、饮料和啤酒的滤菌、工业催化等领域得到广泛应用，随着应用范围的扩大，工业化对微滤膜的耐酸碱性能要求也越高[1]。目前，关于陶瓷耐腐蚀性能的研究主要集中在致密陶瓷的耐酸腐蚀、耐熔盐腐蚀等方面，而对陶瓷微滤膜耐酸碱腐蚀性能研究的报道不多。根据文献报道，陶瓷材料在腐蚀环境中性能降低的原因除了与骨料本身的性质有关外，还与颗粒间晶界相的性质有关。为了便于成型和降低微滤膜的烧成温度，在无机微滤膜的制备中常添加一定数量的能与氧化铝颗粒形成晶界的添加剂。采用这种方法制备的微滤膜，极大的降低了微滤膜的制备成本，具有良好的工业应用前景[2-4]。

α-Al2O3粉和钛白粉、轻烧MgO粉以及钛溶胶在高于1000℃的烧成温度下可以分别形成钛酸铝和镁铝尖晶石。钛酸铝和镁铝尖晶石具有机械强度高、耐酸碱腐蚀等优点，而α-Al2O3粉又具有很好的耐腐蚀性能[5]。因此，本实验室通过控制微滤膜中α-Al2O3颗粒周围晶界相的组成，使得α-Al2O3粉和钛白粉、轻烧MgO粉以及钛溶胶在高温下可分别生成钛酸铝和镁铝尖晶石，通过这种方法可以使得微滤膜在获得机械性能的同时，提高其耐酸碱性能。

2 实验部分

2.1 实验原料

实验采用α-Al2O3粉为微滤膜基础原料，钛白粉、轻烧MgO粉和自制的钛溶胶为微滤膜添加剂。

2.2 实验方案简述

以20μm α-Al2O3粉为主要原料，采用固相烧结反应法，通过五组实验（见表1）制备具有微孔结构的A12O3微滤膜。并将五组配方的产品进行对比，对微滤膜的耐酸碱腐蚀进行探讨。

2.3 制备A l2O3微滤膜的工艺流程图

工业化制备Al2O3微滤膜的工艺路线见图1。

2.4 耐酸碱性能测试

微滤膜耐酸碱性能测试方法参照了国家标准（GB/T 1970-1996）《多孔陶瓷耐酸、碱腐蚀性能测试方法》。具体测试步骤如下：

表1 实验方案Tab.1 Experimental program

（1）采用氢氧化钠配制pH值分别为9、11、13碱性溶液，采用浓硫酸配制pH值分别为1、3、5的酸性溶液。

（2）称取干燥好的微滤膜样品质量M1，之后放置于配制好的碱性或酸性溶液中浸渍24小时，取出浸渍后的样品用纯净水清洗干燥称取样品质量M2。

（3）微滤膜的腐蚀率计算公式：P=（M1-M2）/M1。

3 结果分析与讨论

3.1 微滤膜耐酸碱腐蚀性的影响分析

3.1.1 铝钛系列微滤膜的耐酸碱腐蚀性

实验测试了1#Al2O3-TiO2体系、2#Al2O3-TiO2-ZrO2体系、3#Al2O3-钛溶胶体系微滤膜在不同烧结温度及不同酸碱浓度下的耐酸碱腐蚀性，测试结果如图2所示。

图2结果显示，随着烧结温度升高，同一体系微滤膜的耐酸碱腐蚀性上升；随着酸碱溶液浓度的增加，微滤膜耐酸碱腐蚀性下降，且耐碱腐蚀略低于耐酸腐蚀。

Al2O3-TiO2体系微滤膜耐酸碱性较差，这是因为钛白粉晶粒较大，与α-Al2O3粉反应主要依赖于相互扩散进行反应，在实验温度下反应不完全，而添加了烧结助剂ZrO2的Al2O3-TiO2-ZrO2体系微滤膜的耐酸碱腐蚀性比Al2O3-TiO2体系微滤膜的耐酸碱腐蚀性好，这是由于ZrO2的引入，有助于结构的致密性，化学稳定性增加，提高了其耐酸碱性。

实验结果表明，Al2O3-钛溶胶体系微滤膜具有较好的耐酸碱腐蚀性，在制备过程中钛溶胶包覆在α-Al2O3粉体表面，且晶粒尺寸为纳米级，能与α-Al2O3粉均匀地反应，提高微滤膜的化学稳定性，并随煅烧温度的提高，反应更为完全，耐酸碱性更强，在烧结温度1500℃下，Al2O3-钛溶胶体系微滤膜在强酸、强碱溶液中腐蚀率均小于0.01%，较Al2O3-TiO2体系载体和Al2O3-TiO2-ZrO2体系载体耐酸碱腐蚀性有明显增强。

3.1.2 铝镁系列微滤膜的耐酸碱性研究

表2 孔隙率及强度测试结果Tab.2 Results of the porosity and flexural strength

实验测试了4#Al2O3-MgO体系和5#Al2O3-MgO-ZnO2体系微滤膜的耐酸碱腐蚀性，测试结果如图3所示。

图3结果显示，铝镁系列微滤膜与铝钛系列微滤膜有着相同变化趋势，耐酸碱腐蚀性随着酸碱溶液浓度的增加而下降，但其碱的腐蚀率要低于酸腐蚀率。

烧结温度越高，MgO与Al2O3之间反应更强，且烧结程度也越高，促使微滤膜的结构致密度增大，从而提高微滤膜的耐腐蚀性。根据前文分析，在烧结过程中，烧结助剂可促使微滤膜在较低温度下合成且增大颗粒间的离子结合性，使微滤膜致密性和抗折强度均有所提高，微滤膜耐酸碱腐蚀性能也随之增强。因此，在铝镁系列微滤膜中Al2O3-MgO-ZnO2体系微滤膜的耐酸碱腐蚀性最好，烧结温度1600℃下，Al2O3-MgO-ZnO2体系载体在强酸溶液中耐腐蚀性约为0.002%、在强碱溶液中腐蚀率约为0.001%。

3.2 微滤膜孔隙率及强度影响分析

实验选择耐酸碱腐蚀性能较好的Al2O3-钛溶胶体系和Al2O3-MgO-ZnO2体系微滤膜，测试不同烧结温度下孔隙率及强度变化，实验结果如表2。

表2结果显示，随着烧结温度增加，Al2O3-钛溶胶和Al2O3-MgO-ZnO2体系微滤膜的孔隙率在降低，而强度在增加，烧结温度高，促使微滤膜致密程度加大，因此出现孔隙率在降低，强度变大的现象。

综合考虑耐酸碱腐蚀性、孔隙率与强度，烧结温度为1450℃的Al2O3-钛溶胶体系微滤膜性能较佳，其耐强酸碱腐蚀率低于0.02%，孔隙率为26%，强度为50 Mpa；而烧结温度为1500℃的Al2O3-MgO-ZnO2体系微滤膜也具有较好性能，其耐强酸碱腐蚀率低于0.02%,孔隙率为25%，强度为80 Mpa。

4 结论

（1）以5%的钛溶胶为添加剂的α-Al2O3-钛溶胶体系微滤膜有较好的耐酸碱腐蚀性，且耐酸强于耐碱，于1450℃下煅烧，其孔隙率为26%，抗折强度为50Mpa。

（2）以4%的轻烧MgO为添加剂，1%ZnO2为烧结助剂，制备的Al2O3-MgO-ZnO2体系微滤膜有较强的耐酸碱腐蚀性，且耐碱腐蚀好于耐酸腐蚀，在1500℃煅烧，其孔隙率达25%，抗折强度达80Mpa。

1 徐南平.无机膜的发展与展望.化工进展,2000,(4):5～9

2 朱立群.陶瓷的耐腐蚀性能研究状况.兵器材料科学与工程.1995,18(4):50～54

3 孙宏伟,谢灼利,郑冲.微孔α-A12O3陶瓷膜管的制备与性能.无机材料学报,1998,13(5):698～702

4 周勇,刘杏芹等.多孔α-A12O3陶瓷的制备及其研究.中国科学技术大学学报,1997,27(2):181～18

5 刘国祥.影响氧化铝陶瓷烧结的因素分析.江苏陶瓷,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

科技部国际科技合作项目（编号：2009DFB50490）,江西省教育厅项目（编号：GJJ08510）

汪永清，E-mail:wyq8248@126.com

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