一种利用生物质电厂灰渣制备陶瓷膜支撑体的方法及陶瓷膜支撑体

1.本发明属于固体废物综合利用领域，具体涉及一种利用生物质电厂灰渣制备陶瓷膜支撑体的方法及陶瓷膜支撑体。


背景技术：

2.随着化石燃料的日益减少，导致能源危机进一步加剧，由此推动可再生能源空前发展。生物质发电技术已经成为一些国家重要的发电和供热方式，在我国也得到了大力推广。然而，生物质原料燃烧后产生大量灰渣，如果没有行之有效的处理方法，将会成为新的污染源，并造成极大浪费。
3.陶瓷膜是一种无机陶瓷过滤材料，相比于有机膜，具有热稳定性高、机械强度高、耐化学和生物侵蚀、易再生、使用寿命长且分离极限和选择性可控等特点，目前已经应用于环保、能源、食品、化工、医药等领域。
4.目前，用于制备陶瓷膜支撑体的原料一般为陶瓷粉末，例如氧化铝、氧化锆和莫来石粉等，其制备成本远高于有机膜，限制了陶瓷膜的推广和普及。本发明利用生物质电厂灰渣为原料，添加粘结剂，经混合、压制、干燥、脱模、烧结等工艺流程，制备无机陶瓷膜支撑体，显著降低了陶瓷膜的制作成本。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种利用生物质电厂灰渣制备陶瓷膜支撑体的方法及陶瓷膜支撑体。本发明将生物质发电厂产生的固体废弃物灰渣高值化利用，替代原有的高成本原料，制备陶瓷膜支撑体，应用在废水处理领域，可过滤掉粒径10μm以上的固体颗粒，也可以针对不同目标污染物使各类膜层(例如：氧化锆、氧化钛和氧化硅等)在支撑体表面附着和生长，达到以废治废的目的。
6.本发明将生物质电厂灰渣烘干后进行筛分，再配制液体粘结剂，将筛分后的灰渣和液体粘结剂按比例混合，研磨均匀后压制成型，经过干燥、脱模以及高温烧结得到陶瓷膜支撑体，制得的陶瓷膜支撑体在机械强度和渗水通量方面均能够达到行业要求，具有良好的经济和社会效益。
7.本发明所述的一种利用生物质电厂灰渣制备陶瓷膜支撑体的方法，其步骤如下：
8.(1)使用生物质发电厂废弃灰渣作为原料，100～120℃下加热12～24小时烘干水分，筛分后得到粒径0.1mm以下的灰渣；
9.(2)在85～95℃水浴条件下将水、聚乙烯醇、丙三醇、无水乙醇混合后搅拌至澄清，得到无色透明具有粘性的液体粘结剂；按体积和100％计算，水的体积含量为88～92％、聚乙烯醇的体积含量为3～7％、丙三醇的体积含量为2～4％、无水乙醇的体积含量为1～3％；粘结剂主要作用是润湿灰渣，对灰渣有效好的粘附作用，同时产生较好的流动特性，使压制的片材更完整，不易分层缺损；
10.(3)在步骤(1)得到的灰渣中加入步骤(2)得到的液体粘结剂，研磨或球磨使其混合均匀；
11.(4)将步骤(3)得到的混合物装入压片模具中，在一定压力下制成厚度为2～3mm的薄片，脱模后得到支撑体生坯；
12.(5)将步骤(4)得到的支撑体生坯在1100℃下高温烧结，从而得到本发明所述的片状陶瓷膜支撑体。
13.其中，灰渣与液体粘结剂的质量比为8～12：1，压片压力为10～30mpa，烧结时的升温速率为4～6℃/min，烧结时间为1.5～3.0h。
14.最优选的工艺条件：灰渣粒径为0.05mm，压片压力为20mpa，烧结温度为1100℃。
15.一种陶瓷膜支撑体，是由上述方法制备得到。
16.本发明中所述的生物质电厂灰渣主要成分为sio2，与液体粘结剂混合烧结后可以大大增加产物的机械强度。另外，粘结剂高温烧结后留下的微孔与灰渣粒子间的堆积孔共同构成了水流通道，增加了产物的水通量。
17.本发明具有成本低，工艺简单，安全环保等优点，得到的陶瓷膜支撑体可达到市售同类产品的性能，可通过涂覆技术使各类膜层(例如：氧化锆、氧化钛和氧化硅等)在支撑体表面附着和生长。本发明实现生物质灰渣的综合利用，减少生物质电厂废弃物的处理成本，促进生物质发电产业可持续发展，具有良好的生态效益与经济效益。
附图说明
18.图1为实施例1、2、3制得陶瓷膜支撑体的xrd谱图；
19.图2为实施例1制得陶瓷膜支撑体表面的sem照片；
20.图3为实施例1制得陶瓷膜支撑体截面的sem照片；
21.表1：各实施例产物性能数据
[0022][0023][0024]
从表1中可以得知，实施例1在保证抗弯强度的同时，仍然具有较高的纯水通量；实施例2未能形成较好的烧结连接，在水流下容易被破坏；实施例3表面出现熔融状态，水流难以通过；实施例5-8抗弯强度欠佳。综上，实施例1为最佳实施例；
[0025]
从图1中可以得知，原始的生物质电厂灰渣主要成分是晶型的sio2，说明在生物质
电厂锅炉内部的高温下，生物质中的硅元素形成晶型sio2。随着烧结温度的升高衍射峰强度逐渐增强。当烧结温度达到1200℃时，衍射峰强度又急剧减弱，这可能是由于过高的温度导致晶型sio2熔化所导致，烧结后的样品表面出现熔融状态，进一步说明了1200℃是样品开始熔化的临界温度。
[0026]
从图2、图3中可以得知，实施例1得到的样品不仅形成了烧结连接，提高了样品的抗弯强度，而且形成了孔道结构，保证了样品具有较好的纯水通量。
具体实施方式
[0027]
实施例1
[0028]
(1)将生物质电厂灰渣100℃加热12h烘干水分，使用300目的标准筛进行筛分，取粒径≤0.05mm的生物质灰渣备用。
[0029]
(2)在90℃度水浴条件下依次加入(体积分数)90％水、5％的聚乙烯醇、3％丙三醇和2％无水乙醇，搅拌至澄清，得到液体粘结剂。
[0030]
(3)称取步骤(1)中筛分后的生物质灰渣5g，加入步骤(2)中配制的液体粘结剂0.5g，研磨15min，使其混合均匀。
[0031]
(4)将步骤(3)中得到的混合物装入压片模具中，使用压片机在20mpa的压力下压制成型，脱模后得到支撑体生坯。
[0032]
(5)将步骤(4)中得到的生胚置于高温炉中，以5℃/min的速率升温至1100℃，保温2h，自然冷却至室温后得到陶瓷膜支撑体。
[0033]
本实施例为最佳实施例。
[0034]
实施例2
[0035]
(1)将生物质电厂灰渣100℃加热12h烘干水分，使用300目的标准筛进行筛分，取粒径≤0.05mm的生物质灰渣备用。
[0036]
(2)在90℃度水浴条件下依次加入(体积分数)90％水、5％的聚乙烯醇、3％丙三醇和2％无水乙醇，搅拌至澄清，得到液体粘结剂。
[0037]
(3)称取步骤1中筛分后的生物质灰渣5g，加入步骤2中配制的液体粘结剂0.5g，研磨15min，使其混合均匀。
[0038]
(4)将步骤3中得到的混合物装入压片模具中，使用压片机在20mpa的压力下压制成型，脱模后得到支撑体生坯。
[0039]
(5)将步骤4中得到的生胚置于高温炉中，以5℃/min的速率升温至1000℃，保温2h，自然冷却至室温后得到陶瓷膜支撑体。
[0040]
与实施例1比较，将烧结温度改为1000℃。
[0041]
实施例3
[0042]
(1)将生物质电厂灰渣100℃加热12h烘干水分，使用300目的标准筛进行筛分，取粒径≤0.05mm的生物质灰渣备用。
[0043]
(2)在90℃度水浴条件下依次加入(体积分数)90％水、5％的聚乙烯醇、3％丙三醇和2％无水乙醇，搅拌至澄清，得到液体粘结剂。
[0044]
(3)称取步骤1中筛分后的生物质灰渣5g，加入步骤2中配制的液体粘结剂0.5g，研磨15min，使其混合均匀。
[0045]
(4)将步骤3中得到的混合物装入压片模具中，使用压片机在20mpa的压力下压制成型，脱模后得到支撑体生坯。
[0046]
(5)将步骤4中得到的生胚置于高温炉中，以5℃/min的速率升温至1200℃，保温2h，自然冷却至室温后得到陶瓷膜支撑体。
[0047]
与实施例1比较，将烧结温度改为1200℃。
[0048]
实施例4
[0049]
(1)将生物质电厂灰渣100℃加热12h烘干水分，使用150目的标准筛进行筛分，取粒径0.05～0.1mm的生物质灰渣备用。
[0050]
(2)在90℃度水浴条件下依次加入(体积分数)90％水、5％的聚乙烯醇、3％丙三醇和2％无水乙醇，搅拌至澄清，得到液体粘结剂。
[0051]
(3)称取步骤1中筛分后的生物质灰渣5g，加入步骤2中配制的液体粘结剂0.5g，研磨15min，使其混合均匀。
[0052]
(4)将步骤3中得到的混合物装入压片模具中，使用压片机在20mpa的压力下压制成型，脱模后得到支撑体生坯。
[0053]
(5)将步骤4中得到的生胚置于高温炉中，以5℃/min的速率升温至1100℃，保温2h，自然冷却至室温后得到陶瓷膜支撑体。
[0054]
与实施例1比较，将筛分粒径变为0.05～0.1mm。其纯水通量有所增加，但其抗弯强度有所减小，表明随着粒径的增大，水通量与抗弯强度之间存在一定的权衡关系，二者之间需要优先保证支撑体的抗弯强度。
[0055]
实施例5
[0056]
(1)将生物质电厂灰渣100℃加热12h烘干水分，使用300目的标准筛进行筛分，取粒径≤0.05mm的生物质灰渣备用。
[0057]
(2)在90℃度水浴条件下依次加入(体积分数)90％水、5％的聚乙烯醇、3％丙三醇和2％无水乙醇，搅拌至澄清，得到液体粘结剂。
[0058]
(3)称取步骤1中筛分后的生物质灰渣5g，加入步骤2中配制的液体粘结剂0.5g，研磨15min，使其混合均匀。
[0059]
(4)将步骤3中得到的混合物装入压片模具中，使用压片机在10mpa的压力下压制成型，脱模后得到支撑体生坯。
[0060]
(5)将步骤4中得到的生胚置于高温炉中，以5℃/min的速率升温至1100℃，保温2h，自然冷却至室温后得到陶瓷膜支撑体。
[0061]
与实施例1比较，将压片压力改为10mpa。
[0062]
实施例6
[0063]
(1)将生物质电厂灰渣100℃加热12h烘干水分，使用300目的标准筛进行筛分，取粒径≤0.05mm的生物质灰渣备用。
[0064]
(2)在90℃度水浴条件下依次加入(体积分数)90％水、5％的聚乙烯醇、3％丙三醇和2％无水乙醇，搅拌至澄清，得到液体粘结剂。
[0065]
(3)称取步骤1中筛分后的生物质灰渣5g，加入步骤2中配制的液体粘结剂0.5g，研磨15min，使其混合均匀。
[0066]
(4)将步骤3中得到的混合物装入压片模具中，使用压片机在30mpa的压力下压制
成型，脱模后得到支撑体生坯。
[0067]
(5)将步骤4中得到的生胚置于高温炉中，以5℃/min的速率升温至1100℃，保温2h，自然冷却至室温后得到陶瓷膜支撑体。
[0068]
与实施例1比较，将压片压力改为30mpa。
[0069]
实施例7
[0070]
(1)将生物质电厂灰渣100℃加热12h烘干水分，使用300目的标准筛进行筛分，取粒径≤0.05mm的生物质灰渣备用。
[0071]
(2)在90℃度水浴条件下依次加入(体积分数)92％水、3％的聚乙烯醇、3％丙三醇和2％无水乙醇，搅拌至澄清，得到液体粘结剂。
[0072]
(3)称取步骤1中筛分后的生物质灰渣5g，加入步骤2中配制的液体粘结剂0.5g，研磨15min，使其混合均匀。
[0073]
(4)将步骤3中得到的混合物装入压片模具中，使用压片机在20mpa的压力下压制成型，脱模后得到支撑体生坯。
[0074]
(5)将步骤4中得到的生胚置于高温炉中，以5℃/min的速率升温至1100℃，保温2h，自然冷却至室温后得到陶瓷膜支撑体。
[0075]
与实施例1比较，改变粘结剂成分(体积分数)为92％水、3％的聚乙烯醇、3％丙三醇和2％无水乙醇。
[0076]
实施例8
[0077]
(1)将生物质电厂灰渣100℃加热12h烘干水分，使用300目的标准筛进行筛分，取粒径≤0.05mm的生物质灰渣备用。
[0078]
(2)在90℃度水浴条件下依次加入(体积分数)88％水、7％的聚乙烯醇、3％丙三醇和2％无水乙醇，搅拌至澄清，得到液体粘结剂。
[0079]
(3)称取步骤1中筛分后的生物质灰渣5g，加入步骤2中配制的液体粘结剂0.5g，研磨15min，使其混合均匀。
[0080]
(4)将步骤3中得到的混合物装入压片模具中，使用压片机在20mpa的压力下压制成型，脱模后得到支撑体生坯。
[0081]
(5)将步骤4中得到的生胚置于高温炉中，以5℃/min的速率升温至1100℃，保温2h，自然冷却至室温后得到陶瓷膜支撑体。
[0082]
与实施例1比较，改变粘结剂成分(体积分数)为88％水、7％的聚乙烯醇、3％丙三醇和2％无水乙醇。

技术特征：
1.一种利用生物质电厂灰渣制备陶瓷膜支撑体的方法，其步骤如下：(1)使用生物质发电厂废弃灰渣作为原料，100～120℃下加热12～24小时烘干水分，筛分后得到粒径0.1mm以下的灰渣；(2)在85～95℃水浴条件下将水、聚乙烯醇、丙三醇、无水乙醇混合后搅拌至澄清，得到无色透明具有粘性的液体粘结剂；按体积和100％计算，水的体积含量为88～92％、聚乙烯醇的体积含量为3～7％、丙三醇的体积含量为2～4％、无水乙醇的体积含量为1～3％；(3)在步骤(1)得到的灰渣中加入步骤(2)得到的液体粘结剂，研磨或球磨使其混合均匀；(4)将步骤(3)得到的混合物装入压片模具中，在一定压力下制成厚度为2～3mm的薄片，脱模后得到支撑体生坯；(5)将步骤(4)得到的支撑体生坯在1100℃下高温烧结，从而得到片状陶瓷膜支撑体。2.如权利要求1所述的一种利用生物质电厂灰渣制备陶瓷膜支撑体的方法，其特征在于：步骤(3)中，灰渣与液体粘结剂的质量比为8～12：1。3.如权利要求1所述的一种利用生物质电厂灰渣制备陶瓷膜支撑体的方法，其特征在于：步骤(4)中压片压力为10～30mpa，烧结时的升温速率为4～6℃/min，烧结时间为1.5～3.0h。4.如权利要求1所述的一种利用生物质电厂灰渣制备陶瓷膜支撑体的方法，其特征在于：灰渣粒径为0.05mm，压片压力为20mpa。5.一种陶瓷膜支撑体，其特征在于：是由权利要求1～4任何一项所述的方法制备得到。

技术总结
一种利用生物质电厂灰渣制备陶瓷膜支撑体的方法及陶瓷膜支撑体属于固体废物综合利用领域。本发明将生物质电厂灰渣烘干后进行筛分得到粒径0.1mm以下的灰渣，再配制水、聚乙烯醇、丙三醇、无水乙醇组成的液体粘结剂，然后将筛分后的灰渣和液体粘结剂按比例混合，研磨均匀后压制成型，经过干燥、脱模以及高温烧结得到陶瓷膜支撑体。粘结剂的作用主要是造粒增强粉体流动性，由于其粘性，使压制的片材更完整，不易分层缺损。本发明制得的陶瓷膜支撑体在机械强度和渗水通量方面均能够达到行业要求，应用在废水处理领域，达到以废治废的目的，具有良好的经济和社会效益。良好的经济和社会效益。良好的经济和社会效益。


技术研发人员：曾旭 王博 王佳 任勃 杨晓东
受保护的技术使用者：吉林工程技术师范学院
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/10/19