本發明屬于環保材料技術領域，具體涉及一種碳化硅多孔陶瓷過濾膜材料的制備方法。
背景技術：
能源的利用主要是通過直接燃燒來獲得，由于現有技術的制約導致燃燒不充分，不僅能源利用效率較低，還排放出大量粉塵，對環境污染嚴重。提高能源利用效率，減少粉塵排放是目前材料學的重要研究方向。陶瓷過濾管被廣泛應用在高溫氣體除塵凈化技術中，已成為材料、冶金、化工、電力等行業實現氣固分離、節能環保的關鍵部件。傳統的高強度耐高溫陶瓷過濾管一般采用兩部分的結構，即支撐體部分和過濾膜部分。支撐體采用大粒徑陶瓷顆粒來制備，能為過濾管內層提供力學強度，組成過濾膜的陶瓷顆粒則較小，保證了整個過濾體有足夠的過濾除塵效率和精度。傳統的陶瓷過濾管材料，由于制備支撐體的陶瓷顆粒粒徑較大、孔徑大，遠大于表面膜的顆粒粒徑，在其表面上制膜時，因表面膜粉料進入支撐體的空隙中，從而增加了過濾管材料的過濾壓降程度，增加了膜的厚度，影響過濾管材料的整體性能。
復合碳化硅陶瓷過濾膜材料，是在碳化硅表面膜和碳化硅陶瓷支撐體之間增加陶瓷纖維過渡層，來達到改進過濾管材料的結構和性能，該纖維層不僅阻止了表面膜粉料進入支撐體空隙，而且有效降低了過濾材料的過濾壓降程度。而多孔陶瓷過濾膜一般通過漿料涂層法制備，如提拉法、噴涂法和流延成型法等，但是由于多孔陶瓷基材的孔較多，孔徑較大，表面也不平整，直接在多孔陶瓷基材表面上涂層時，主要出現三個缺陷：一、由于基材的孔徑較大且不均勻，膜層易脫落，導致過濾膜漿料會進入基材空氣中，影響其過濾效果。二、由于基材較多和表面不平整，不能提供有利于涂層時所有的光滑平整的表面，導致涂制的膜結構不光滑平整；三、多孔陶瓷過濾膜一般是先把多孔陶瓷基材壓制成型后進行燒結，然后在基材上涂層，最后再燒結，其制備工藝復雜，且耗時長、耗能大，并且在實際的施工中抗化學侵蝕能力以及抗熱震性都不好。因此，研究開發一種不易與支撐體脫離，且過濾效果極佳的陶瓷過濾膜材料具有重要的現實意義。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是：針對傳統碳化硅多孔陶瓷過濾膜材料在制備過程中，過濾膜漿料因顆粒易進入支撐體材料孔隙中，導致過濾膜過濾效果不佳的問題，提供了一種碳化硅多孔陶瓷過濾膜材料的制備方法。
為解決上述技術問題，本發明采用如下所述的技術方案：
（1）依次稱取100～120g高嶺土，200～220g石英石，600～650g鉀長石，倒入球磨機中，按球料質量比為10：1～20：1加入氧化鋯球磨珠，球磨處理24～36h，球磨后過325～500目篩，得陶瓷粘結劑粉末；
（2）依次稱取300～500g冰晶石，80～100g氧化鋁，30～40g碳纖維，倒入球磨機中，按球料質量比為10：1～20：1加入氧化鋯球磨珠，球磨處理3～5h，再將球磨機中物料轉入烘箱中，于溫度為105～110℃條件下干燥至恒重，得干燥物，再將所得干燥物于壓力為15～20mpa，溫度為120～160℃條件下，熱壓成厚度為2～4mm薄片，得中間層材料；
（3）在帶攪拌器的三口燒瓶中依次加入200～300g碳化硅顆粒，15～30ml質量分數為3～5%羧甲基纖維素鈉溶液，以300～500r/min轉速攪拌混合45～60min，在攪拌狀態下，以2～4g/min速率將20～35g陶瓷粘結劑粉末添加至三口燒瓶中，待添加結束，再加入40～50g活性炭，繼續攪拌混合2～4h，再將三口燒瓶中物料于壓力為25～30mpa，溫度為80～100℃條件下熱壓成厚度為8～12mm薄片，再于溫度為1250～1300℃條件下，保溫燒結2～4h，得支撐體材料；
（4）依次稱取200～300g碳化硅粉末，40～50g陶瓷粘結劑粉末，倒入盛有400～500ml質量分數為2～4%羧甲基纖維素鈉溶液的燒杯中，用玻璃棒攪拌混合30～40min，得過濾膜漿料；
（5）將中間層材料平鋪于支撐體材料表面，再將所得過濾膜漿料在中間層材料表面流延成膜，控制膜厚度為280～300μm，得三層復合濕料，再將所得三層復合濕料置于烘箱中，于溫度為105～110℃條件下干燥2～4h，得干燥產物；
（6）將所得干燥產物轉入燒結爐，以4～6ml/min速率向爐內通入氮氣，在氮氣保護狀態下，將干燥產物的中間層材料兩端與石墨電極接通，進行保溫燒結電解，待燒結電解結束，在氮氣保護狀態下自然冷卻至室溫，得燒結料；
（7）將上述所得燒結料轉入盛有1～2l質量分數為2～4%醋酸溶液的燒杯中，浸泡30～45min，再用去離子水洗滌燒結料，直至洗滌液呈中性，再將洗滌后的燒結料轉入烘箱中，于溫度為105～110℃條件下干燥至恒重，出料，即得碳化硅多孔陶瓷過濾膜材料。
步驟（2）所述的球磨處理過程中，還可以添加冰晶石質量0.8～1.2倍的無水乙醇。
步驟（3）所述的碳化硅顆粒粒徑為200～300μm。
步驟（4）所述的碳化硅粉末粒徑為20～40μm。
步驟（6）所述的保溫燒結電解條件為：調節石墨電極兩端電壓至4～6v，電流至200～300ka，再以10～20℃/min速率程序升溫至980～1000℃，保溫燒結電解60～90min。
本發明與其他方法相比，有益技術效果是：
（1）本發明將粒徑較小的碳化硅粉末與自制陶瓷粘結劑粉末分散于羧甲基纖維素鈉溶液中，制得過濾膜漿料，再將過濾膜漿料流延于以冰晶石、氧化鋁及碳纖維壓制成的中間層材料表面，形成薄膜，避免粒徑較小的碳化硅顆粒填充進入孔隙較大的支撐體材料中，降低最終成型過濾膜材料的過濾壓降程度，保證整個過濾體有足夠的過濾除塵效率和精度，在對燃氣輪機氣體過濾時，對含塵氣體的分離效率可達99.6～99.9%；
（2）本發明通過在氮氣保護狀態下，進行燒結電解，使中間層材料中冰晶石和氧化鋁熔融電解，產生氧氣，形成多孔結構的中間層，在冷卻固化過程中，中間層重新固化，將上層過濾膜及下層支撐體牢固連接，在使用過程中，可有效避免過濾膜與支撐體脫離，使陶瓷過濾膜使用壽命有效延長，最終經醋酸溶液浸泡，溶解除去部分中間層電解產生的鋁，豐富其空隙結構，進一步降低所得過濾膜在使用過程中的壓降。
具體實施方式
依次稱取100～120g高嶺土，200～220g石英石，600～650g鉀長石，倒入球磨機中，按球料質量比為10：1～20：1加入氧化鋯球磨珠，球磨處理24～36h，球磨后過325～500目篩，得陶瓷粘結劑粉末；依次稱取300～500g冰晶石，80～100g氧化鋁，30～40g碳纖維，240～600g無水乙醇，倒入球磨機中，按球料質量比為10：1～20：1加入氧化鋯球磨珠，球磨處理3～5h，再將球磨機中物料轉入烘箱中，于溫度為105～110℃條件下干燥至恒重，得干燥物，再將所得干燥物于壓力為15～20mpa，溫度為120～160℃條件下，熱壓成厚度為2～4mm薄片，得中間層材料；在帶攪拌器的三口燒瓶中依次加入200～300g粒徑為200～300μm的碳化硅顆粒，15～30ml質量分數為3～5%羧甲基纖維素鈉溶液，以300～500r/min轉速攪拌混合45～60min，在攪拌狀態下，以2～4g/min速率將20～35g陶瓷粘結劑粉末添加至三口燒瓶中，待添加結束，再加入40～50g活性炭，繼續攪拌混合2～4h，再將三口燒瓶中物料于壓力為25～30mpa，溫度為80～100℃條件下熱壓成厚度為8～12mm薄片，再于溫度為1250～1300℃條件下，保溫燒結2～4h，得支撐體材料；依次稱取200～300g粒徑為20～40μm的碳化硅粉末，40～50g陶瓷粘結劑粉末，倒入盛有400～500ml質量分數為2～4%羧甲基纖維素鈉溶液的燒杯中，用玻璃棒攪拌混合30～40min，得過濾膜漿料；將中間層材料平鋪于支撐體材料表面，再將所得過濾膜漿料在中間層材料表面流延成膜，控制膜厚度為280～300μm，得三層復合濕料，再將所得三層復合濕料置于烘箱中，于溫度為105～110℃條件下干燥2～4h，得干燥產物；將所得干燥產物轉入燒結爐，以4～6ml/min速率向爐內通入氮氣，在氮氣保護狀態下，在干燥產物的中間層材料兩端與石墨電極接通，調節石墨電極兩端電壓至4～6v，電流至200～300ka，再以10～20℃/min速率程序升溫至980～1000℃，保溫燒結電解60～90min，待燒結電解結束，在氮氣保護狀態下自然冷卻至室溫，得燒結料；將所得燒結料轉入盛有1～2l質量分數為2～4%醋酸溶液的燒杯中，浸泡30～45min，再用去離子水洗滌燒結料，直至洗滌液呈中性，再將洗滌后的燒結料轉入烘箱中，于溫度為105～110℃條件下干燥至恒重，出料，即得碳化硅多孔陶瓷過濾膜材料。
實例1
依次稱取100g高嶺土，200g石英石，600g鉀長石，倒入球磨機中，按球料質量比為10：1加入氧化鋯球磨珠，球磨處理24h，球磨后過325目篩，得陶瓷粘結劑粉末；依次稱取300g冰晶石，80g氧化鋁，30g碳纖維，倒入球磨機中，按球料質量比為10：1加入氧化鋯球磨珠，球磨處理3h，再將球磨機中物料轉入烘箱中，于溫度為105℃條件下干燥至恒重，得干燥物，再將所得干燥物于壓力為15mpa，溫度為120℃條件下，熱壓成厚度為2mm薄片，得中間層材料；在帶攪拌器的三口燒瓶中依次加入200g粒徑為200μm的碳化硅顆粒，15ml質量分數為3%羧甲基纖維素鈉溶液，以300r/min轉速攪拌混合45min，在攪拌狀態下，以2g/min速率將20g陶瓷粘結劑粉末添加至三口燒瓶中，待添加結束，再加入40g活性炭，繼續攪拌混合2h，再將三口燒瓶中物料于壓力為25mpa，溫度為80℃條件下熱壓成厚度為8mm薄片，再于溫度為1250℃條件下，保溫燒結2h，得支撐體材料；依次稱取200g粒徑為20μm的碳化硅粉末，40g陶瓷粘結劑粉末，倒入盛有400ml質量分數為2%羧甲基纖維素鈉溶液的燒杯中，用玻璃棒攪拌混合30min，得過濾膜漿料；將中間層材料平鋪于支撐體材料表面，再將所得過濾膜漿料在中間層材料表面流延成膜，控制膜厚度為280μm，得三層復合濕料，再將所得三層復合濕料置于烘箱中，于溫度為105℃條件下干燥2h，得干燥產物；將所得干燥產物轉入燒結爐，以4ml/min速率向爐內通入氮氣，在氮氣保護狀態下，在干燥產物的中間層材料兩端與石墨電極接通，調節石墨電極兩端電壓至4v，電流至200ka，再以10℃/min速率程序升溫至980℃，保溫燒結電解60min，待燒結電解結束，在氮氣保護狀態下自然冷卻至室溫，得燒結料；將所得燒結料轉入盛有1l質量分數為2%醋酸溶液的燒杯中，浸泡30min，再用去離子水洗滌燒結料，直至洗滌液呈中性，再將洗滌后的燒結料轉入烘箱中，于溫度為105℃條件下干燥至恒重，出料，即得碳化硅多孔陶瓷過濾膜材料。
將本發明所得碳化硅多孔陶瓷過濾膜材料安裝于高溫陶瓷過濾器中，并將陶瓷過濾器應用于潔凈煤燃燒發電過程中，于工作溫度為600℃，工作壓力為0.6mpa條件下，對進入燃氣輪機的氣體進行過濾，經檢測，過濾后，進入燃氣輪機的氣體含塵濃度由75mg/nm3降低至0.3mg/nm3，分離效率達99.6%，且在使用過程中，未發現過濾膜與支撐體脫離現象，使用壽命較常規陶瓷過濾膜延長2個月。
實例2
依次稱取120g高嶺土，220g石英石，650g鉀長石，倒入球磨機中，按球料質量比為20：1加入氧化鋯球磨珠，球磨處理36h，球磨后過500目篩，得陶瓷粘結劑粉末；依次稱取500g冰晶石，100g氧化鋁，40g碳纖維，600g無水乙醇，倒入球磨機中，按球料質量比為20：1加入氧化鋯球磨珠，球磨處理5h，再將球磨機中物料轉入烘箱中，于溫度為110℃條件下干燥至恒重，得干燥物，再將所得干燥物于壓力為20mpa，溫度為160℃條件下，熱壓成厚度為4mm薄片，得中間層材料；在帶攪拌器的三口燒瓶中依次加入300g粒徑為300μm的碳化硅顆粒，30ml質量分數為5%羧甲基纖維素鈉溶液，以500r/min轉速攪拌混合60min，在攪拌狀態下，以4g/min速率將35g陶瓷粘結劑粉末添加至三口燒瓶中，待添加結束，再加入50g活性炭，繼續攪拌混合4h，再將三口燒瓶中物料于壓力為30mpa，溫度為100℃條件下熱壓成厚度為12mm薄片，再于溫度為1300℃條件下，保溫燒結4h，得支撐體材料；依次稱取300g粒徑為40μm的碳化硅粉末，50g陶瓷粘結劑粉末，倒入盛有500ml質量分數為4%羧甲基纖維素鈉溶液的燒杯中，用玻璃棒攪拌混合40min，得過濾膜漿料；將中間層材料平鋪于支撐體材料表面，再將所得過濾膜漿料在中間層材料表面流延成膜，控制膜厚度為300μm，得三層復合濕料，再將所得三層復合濕料置于烘箱中，于溫度為110℃條件下干燥4h，得干燥產物；將所得干燥產物轉入燒結爐，以6ml/min速率向爐內通入氮氣，在氮氣保護狀態下，在干燥產物的中間層材料兩端與石墨電極接通，調節石墨電極兩端電壓至6v，電流至300ka，再以20℃/min速率程序升溫至1000℃，保溫燒結電解90min，待燒結電解結束，在氮氣保護狀態下自然冷卻至室溫，得燒結料；將所得燒結料轉入盛有2l質量分數為4%醋酸溶液的燒杯中，浸泡45min，再用去離子水洗滌燒結料，直至洗滌液呈中性，再將洗滌后的燒結料轉入烘箱中，于溫度為110℃條件下干燥至恒重，出料，即得碳化硅多孔陶瓷過濾膜材料。
將本發明所得碳化硅多孔陶瓷過濾膜材料安裝于高溫陶瓷過濾器中，并將陶瓷過濾器應用于潔凈煤燃燒發電過程中，于工作溫度為900℃，工作壓力為3.0mpa條件下，對進入燃氣輪機的氣體進行過濾，經檢測，過濾后，進入燃氣輪機的氣體含塵濃度由500mg/nm3降低至0.3mg/nm3，分離效率達99.9%，且在使用過程中，未發現過濾膜與支撐體脫離現象，使用壽命較常規陶瓷過濾膜延長3個月。
實例3
依次稱取110g高嶺土，210g石英石，625g鉀長石，倒入球磨機中，按球料質量比為15：1加入氧化鋯球磨珠，球磨處理30h，球磨后過412目篩，得陶瓷粘結劑粉末；依次稱取400g冰晶石，90g氧化鋁，35g碳纖維，倒入球磨機中，按球料質量比為15：1加入氧化鋯球磨珠，球磨處理4h，再將球磨機中物料轉入烘箱中，于溫度為108℃條件下干燥至恒重，得干燥物，再將所得干燥物于壓力為18mpa，溫度為140℃條件下，熱壓成厚度為3mm薄片，得中間層材料；在帶攪拌器的三口燒瓶中依次加入250g粒徑為250μm的碳化硅顆粒，22ml質量分數為4%羧甲基纖維素鈉溶液，以400r/min轉速攪拌混合52min，在攪拌狀態下，以3g/min速率將27g陶瓷粘結劑粉末添加至三口燒瓶中，待添加結束，再加入45g活性炭，繼續攪拌混合3h，再將三口燒瓶中物料于壓力為28mpa，溫度為90℃條件下熱壓成厚度為10mm薄片，再于溫度為1275℃條件下，保溫燒結3h，得支撐體材料；依次稱取250g粒徑為30μm的碳化硅粉末，45g陶瓷粘結劑粉末，倒入盛有450ml質量分數為3%羧甲基纖維素鈉溶液的燒杯中，用玻璃棒攪拌混合35min，得過濾膜漿料；將中間層材料平鋪于支撐體材料表面，再將所得過濾膜漿料在中間層材料表面流延成膜，控制膜厚度為290μm，得三層復合濕料，再將所得三層復合濕料置于烘箱中，于溫度為108℃條件下干燥3h，得干燥產物；將所得干燥產物轉入燒結爐，以5ml/min速率向爐內通入氮氣，在氮氣保護狀態下，在干燥產物的中間層材料兩端與石墨電極接通，調節石墨電極兩端電壓至5v，電流至250ka，再以15℃/min速率程序升溫至990℃，保溫燒結電解75min，待燒結電解結束，在氮氣保護狀態下自然冷卻至室溫，得燒結料；將所得燒結料轉入盛有1l質量分數為3%醋酸溶液的燒杯中，浸泡38min，再用去離子水洗滌燒結料，直至洗滌液呈中性，再將洗滌后的燒結料轉入烘箱中，于溫度為108℃條件下干燥至恒重，出料，即得碳化硅多孔陶瓷過濾膜材料。
將本發明所得碳化硅多孔陶瓷過濾膜材料安裝于高溫陶瓷過濾器中，并將陶瓷過濾器應用于潔凈煤燃燒發電過程中，于工作溫度為750℃，工作壓力為1.8mpa條件下，對進入燃氣輪機的氣體進行過濾，經檢測，過濾后，進入燃氣輪機的氣體含塵濃度由288mg/nm3降低至0.4mg/nm3，分離效率達99.8%，且在使用過程中，未發現過濾膜與支撐體脫離現象，使用壽命較常規陶瓷過濾膜延長3個月。