本發明涉及多孔陶瓷膜技術領域，尤其涉及一種陶瓷膜材料組件。
背景技術：
膜分離過程是含溶解的溶質或懸浮微粒的液態經過膜，其中溶劑和溶質小分子透過膜，溶質大分子和懸浮顆粒被膜截留。與有機膜相比，無機陶瓷膜是由金屬氧化物或混合金屬氧化物粉體經高溫燒結而成的具有一定選擇性分離性能的精密陶瓷材料，具有化學穩定性好，機械強度大，抗微生物能力強，耐高溫，孔徑分布窄，分離效率高等優點，可應用于氣體分離、液體分離凈化和膜反應器，在食品工業、制藥和生物工程、化學和石油化工工業以及環境保護等領域均有廣泛的應用。
國內對陶瓷膜的研究始于上世紀90年代后期，主要集中在氧化鋁膜材料，并在污水處理方面開展了應用，取得了良好的效益。但是在工業廢水方面，其廢水往往存在排放量大、高溫、高堿度、高酸度、含重金屬等特點，對無機陶瓷膜的過濾性能提出了更高的要求，目前廣泛使用的氧化鋁膜材料，難以抵抗強酸、強堿環境，高溫熱穩定性能差，在上述苛刻環境條件下工作使用壽命將大大縮短，導致污水處理成本增加。此外，氧化鋁膜材料親水性能一般，導致污水處理效率低，在一定程度上也增加了治污成本。碳化硅化學穩定性極好，耐強酸、堿，可在ph值0-14的范圍內使用，高溫穩定性好，且親水性能好，其性能特點使碳化硅陶瓷膜在污水處理方面具有天然的優勢，是今后無機陶瓷膜發展的重要方向。
但是目前的碳化硅陶瓷膜大多是粗顆粒碳化硅及粘結劑堆積燒結而成，其孔隙為顆粒堆積間隙形成，存在孔徑分布不均勻，孔徑大多在100nm以上，對水中微小懸浮顆粒、大的膠體粒子和細菌的分離非常有效，但在小分子溶質、病毒等的分離方面存在嚴重不足，孔徑分布不均勻和孔徑過大導致過濾精度差，這極大地限制了陶瓷膜在分離精度要求高的許多領域的應用。另外，膜組件在安裝和工作時經常受到來自泵壓馬達的振動所產生的機械和熱應力，同時還有膜分離過程中會反復受到脈沖式氣、水等沖擊或反沖洗，由于陶瓷支撐體是采用多孔陶瓷基材料制成，這些陶瓷材料的脆性大，在遭受高的機械應力時容易破碎和裂開，這也大大限制了它的工業推廣應用。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種孔徑小且分布均勻從而分離精度高，韌性好、強度高、耐高溫、耐酸堿的陶瓷膜材料組件，還相應提供該陶瓷膜材料組件的制備方法。
為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：
一種陶瓷膜材料組件，包括陶瓷膜基體、依次位于陶瓷膜基體表面的中間過渡層、陶瓷膜層，所述陶瓷膜基體的內層為純碳層，內層的平均孔徑為300μm～500μm，外層為c和sic組成的復合層，外層的平均孔徑為10μm～20μm；所述陶瓷膜基體的內層和外層的孔隙貫通；所述中間過渡層為sic中間過渡層，中間過渡層的平均孔徑為100nm～500nm；所述陶瓷膜層為多孔純sic層，陶瓷膜層的平均孔徑為1nm～2nm。
優選地，上述的陶瓷膜材料組件通過以下方法制備：
(1)制備陶瓷膜基體
(1.1)采用平均孔徑為300μm～500μm的泡沫瀝青為原料，根據所需形狀制備陶瓷膜預基體，浸入處于熱處理爐中的熔融si中，爐內保持惰性氣氛，浸入時間為30min～60min；
(1.2)將陶瓷膜預基體從熔融si中取出，爐內再升溫150℃～250℃，保持惰性氣氛，保溫2h～4h后隨爐冷卻至室溫，得到陶瓷膜基體；
(2)制備中間過渡層
(2.1)將碳化硅粉末、聚碳硅烷、羥甲基纖維素醚和水混合，碳化硅粉末的粒徑為1μm～5μm，制得含碳化硅漿料；
(2.2)將步驟(2.1)所得的含碳化硅漿料涂覆于步驟(1.2)所得的陶瓷膜基體表面；
(2.3)將經步驟(2.2)涂覆處理的陶瓷膜基體置于熱處理爐中，在惰性氣氛下進行燒結，溫度為1200℃～1500℃，時間為1h～2h；得到表面有sic中間過渡層的陶瓷膜基體；
(3)制備陶瓷膜層
(3.1)將步驟(2.3)所得的表面有sic中間過渡層的陶瓷膜基體置于熱處理爐中，在爐內通入惰性氣體，將爐內抽真空至800pa～1000pa后，將爐內溫度升至1000℃～1100℃，持續通入氣化的聚碳硅烷，時間為2h～5h，使聚碳硅烷的si-h鍵和c-h鍵斷裂，生成裂解產物均勻附著在sic中間過渡層表面；
(3.2)保持惰性氣氛，將爐內溫度升至2000℃～2200℃，保溫2h～5h，使裂解產物中的si-o鍵斷裂，生成多孔純sic，形成多孔純sic層。
優選地，步驟(1.1)中，所述陶瓷膜預基體為多通道管、單通道管或平板狀。
優選地，步驟(1.1)中，將熱處理爐以15℃/min～20℃/min的升溫速率升至1450℃～1550℃，使晶體硅熔化形成熔融si。
優選地，步驟(2.1)中，所述碳化硅粉末、聚碳硅烷、羥甲基纖維素醚和水的質量比為5∶1～2∶0.1～0.2∶8～10。
優選地，步驟(3.1)中，聚碳硅烷的氣化溫度為150℃～200℃。
優選地，步驟(3.1)中，聚碳硅烷的數均分子量為1000～2000。
優選地，步驟(1)、(2)和(3)中，惰性氣氛為氬氣。
與現有技術相比，本發明的優點在于：
1、本發明的陶瓷膜材料組件，采用低壓化學氣相沉積有機硅聚合物，再通過分段煅燒將有機硅聚合物中的h、o元素去除，形成碳化硅，由于h、o逸出從而產生原子級尺寸孔隙，所得的孔隙孔徑小而且分布均勻，且該陶瓷膜層采用較高溫度制備，結構上的缺陷較少，從而膜的綜合性能尤其是分離精度較現有的碳化硅陶瓷膜更優。
2、本發明的陶瓷膜材料組件，陶瓷膜基體選擇以泡沫瀝青為基材，通過高溫浸滲熔融硅中，使熔融硅與泡沫瀝青表面和近表面的碳發生原位反應，在泡沫瀝青的表面和近表面原位生成一層碳化硅陶瓷層，由于碳化硅陶瓷層為原位生成，保持了整個基體骨架的完整性和連續性的同時也保證了孔隙的貫通性。而且可通過泡沫瀝青本身的孔徑及反應條件來調控最終碳化硅陶瓷層的孔徑大小，泡沫瀝青中心部分未反應的c層起著增韌、防止材料脆性破壞的作用，抗沖擊性能大大提高，大大拓展了其工業應用范圍，如可用于各類膜反應器中或惡劣機械應用環境中等。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖。
圖中標號說明：
1、平板狀陶瓷膜基體；11、內層；12、外層；2、中間過渡層；3、陶瓷膜層。
具體實施方式
以下結合具體優選的實施例對本發明作進一步描述，但并不因此而限制本發明的保護范圍。
實施例1：
一種陶瓷膜材料組件，如圖1所示，包括平板狀陶瓷膜基體1、依次位于該平板狀陶瓷膜基體1表面的中間過渡層2、陶瓷膜層3，該平板狀陶瓷膜基體1的內層11為純碳層，內層11的平均孔徑為300μm，外層12為c和sic組成的復合層，外層12的平均孔徑為15μm；該平板狀陶瓷膜基體1的內層11和外層12的孔隙貫通；中間過渡層2為sic中間過渡層，中間過渡層2的平均孔徑為500nm；陶瓷膜層3為多孔純sic膜層，陶瓷膜層3的平均孔徑為1.2nm。
本實施的陶瓷膜材料組件的制備方法，包括以下步驟：
(1)制備陶瓷膜基體
(1.1)采用平均孔徑為300μm的泡沫瀝青為原料，根據所需形狀制備成平板狀陶瓷膜預基體。將單晶硅放入熱處理爐中，在氬氣氣氛下，以15℃/min的升溫速率升至1500℃，使晶體硅熔化形成熔融si，然后將平板狀陶瓷膜預基體浸入熔融si中，爐內保持氬氣氣氛，保溫60min。
(1.2)將平板狀陶瓷膜預基體從熔融si中取出，爐內再升溫至1700℃，保持氬氣氣氛，保溫4h后隨爐冷卻至室溫，得到陶瓷膜基體，采用氣體壓泡法測試陶瓷膜基體表面c和sic組成的復合層的孔徑，結果表面平均孔徑為15μm；
(2)制備中間過渡層
(2.1)將碳化硅粉末、聚碳硅烷、羥甲基纖維素醚和水以質量比為5∶2∶0.2∶10的比例混合，碳化硅粉末的粒徑為1μm～5μm，制得含碳化硅漿料；
(2.2)將步驟(2.1)所得的含碳化硅漿料均勻噴涂于步驟(1.2)所得的陶瓷膜基體表面；
(2.3)將經步驟(2.2)涂覆處理的陶瓷膜基體置于熱處理爐中，在氬氣氣氛下進行燒結，溫度為1400℃，時間為1h；得到表面有sic粗孔膜層的陶瓷膜基體，采用氣體壓泡法測試sic粗孔膜層的孔徑，結果表明平均孔徑為500nm；
(3)制備陶瓷膜層
(3.1)將步驟(2.3)所得的表面有sic粗孔膜層的陶瓷膜基體置于熱處理爐中，在爐內通入氬氣氣體后將爐內抽真空至1000pa后，將爐內溫度升至1000℃，持續通入氣化的聚碳硅烷(數均分子量為1000，氣化溫度為150℃)，時間為2h，使聚碳硅烷的si-h鍵和c-h鍵斷裂，生成裂解產物均勻附著在sic粗孔膜層表面；
(3.2)保持氬氣氣氛，將爐內溫度升至2000℃，保溫2h，使裂解產物中的si-o鍵斷裂，生成多孔純sic層，采用氣體壓泡法測試多孔純sic層的孔徑，結果表面平均孔徑為1.2nm。
實施例2：
一種陶瓷膜材料組件，包括多通道管陶瓷膜基體、依次位于多通道管陶瓷膜基體表面的中間過渡層、陶瓷膜層，該多通道管陶瓷膜基體的內層為純碳層，內層的平均孔徑為300μm，外層為c和sic組成的復合層，外層的平均孔徑為16μm；該多通道管陶瓷膜基體的內層和外層的孔隙貫通；中間過渡層為sic粗孔膜層，中間過渡層的平均孔徑為250nm；陶瓷膜層為多孔純sic膜層，陶瓷膜層的平均孔徑為1.2nm。
本實施的陶瓷膜材料組件的制備方法，包括以下步驟：
(1)制備陶瓷膜基體
(1.1)采用平均孔徑為300μm的泡沫瀝青為原料，根據所需形狀制備成多通道管陶瓷膜預基體。將單晶硅放入熱處理爐中，在氬氣氣氛下，以15℃/min的升溫速率升至1500℃，使晶體硅熔化形成熔融si，然后將平板狀陶瓷膜預基體浸入熔融si中，爐內保持氬氣氣氛，保溫60min。
(1.2)將平板狀陶瓷膜預基體從熔融si中取出，爐內再升溫至1750℃，保持氬氣氣氛，保溫4h后隨爐冷卻至室溫，得到陶瓷膜基體，采用氣體壓泡法測試陶瓷膜基體表面c和sic組成的復合層的孔徑，結果表面平均孔徑為16μm；
(2)制備中間過渡層
(2.1)將碳化硅粉末、聚碳硅烷、羥甲基纖維素醚和水以質量比為5∶1∶0.1∶10的比例混合，碳化硅粉末的粒徑為1μm～2μm，制得含碳化硅漿料；
(2.2)將步驟(2.1)所得的含碳化硅漿料均勻噴涂于步驟(1.2)所得的陶瓷膜基體表面；
(2.3)將經步驟(2.2)涂覆處理的陶瓷膜基體置于熱處理爐中，在氬氣氣氛下進行燒結，溫度為1500℃，時間為1h；得到表面有sic粗孔膜層的陶瓷膜基體，采用氣體壓泡法測試sic粗孔膜層的孔徑，結果表明平均孔徑為250nm；
(3)制備陶瓷膜層
(3.1)將步驟(2.3)所得的表面有sic粗孔膜層的陶瓷膜基體置于熱處理爐中，在爐內通入氬氣氣體后將爐內抽真空至1000pa后，將爐內溫度升至1000℃，持續通入氣化的聚碳硅烷(數均分子量為1000，氣化溫度為150℃)，時間為2h，使聚碳硅烷的si-h鍵和c-h鍵斷裂，生成裂解產物均勻附著在sic粗孔膜層表面；
(3.2)保持氬氣氣氛，將爐內溫度升至2000℃，保溫2h，使裂解產物中的si-o鍵斷裂，生成多孔純sic層，采用氣體壓泡法測試多孔純sic層的孔徑，結果表面平均孔徑為1.2nm。
實施例3：
一種陶瓷膜材料組件，包括單通道管陶瓷膜基體、依次位于單通道管陶瓷膜基體表面的中間過渡層、陶瓷膜層，該單通道管陶瓷膜基體的內層為純碳層，內層的平均孔徑為300μm，外層為c和sic組成的復合層，外層的平均孔徑為20μm；該單通道管陶瓷膜基體的內層和外層的孔隙貫通；中間過渡層為sic粗孔膜層，中間過渡層的平均孔徑為250nm；陶瓷膜層為多孔純sic膜層，陶瓷膜層的平均孔徑為1.5nm。
本實施的陶瓷膜材料組件的制備方法，包括以下步驟：
(1)制備陶瓷膜基體
(1.1)采用平均孔徑為300μm的泡沫瀝青為原料，根據所需形狀制備成單通道管陶瓷膜預基體。將單晶硅放入熱處理爐中，在氬氣氣氛下，以15℃/min的升溫速率升至1500℃，使晶體硅熔化形成熔融si，然后將平板狀陶瓷膜預基體浸入熔融si中，爐內保持氬氣氣氛，保溫60min。
(1.2)將平板狀陶瓷膜預基體從熔融si中取出，爐內再升溫至1650℃，保持氬氣氣氛，保溫2h后隨爐冷卻至室溫，得到陶瓷膜基體，采用氣體壓泡法測試陶瓷膜基體表面c和sic組成的復合層的孔徑，結果表面平均孔徑為20μm；
(2)制備中間過渡層
(2.1)將碳化硅粉末、聚碳硅烷、羥甲基纖維素醚和水以質量比為5∶1∶0.1∶10的比例混合，碳化硅粉末的粒徑為1μm～2μm，制得含碳化硅漿料；
(2.2)將步驟(2.1)所得的含碳化硅漿料均勻噴涂于步驟(1.2)所得的陶瓷膜基體表面；
(2.3)將經步驟(2.2)涂覆處理的陶瓷膜基體置于熱處理爐中，在氬氣氣氛下進行燒結，溫度為1500℃，時間為1h；得到表面有sic粗孔膜層的陶瓷膜基體，采用氣體壓泡法測試sic粗孔膜層的孔徑，結果表明平均孔徑為250nm；
(3)制備陶瓷膜層
(3.1)將步驟(2.3)所得的表面有sic粗孔膜層的陶瓷膜基體置于熱處理爐中，在爐內通入氬氣氣體后將爐內抽真空至800pa后，將爐內溫度升至1100℃，持續通入氣化的聚碳硅烷(數均分子量為1000，氣化溫度為150℃)，時間為2h，使聚碳硅烷的si-h鍵和c-h鍵斷裂，生成裂解產物均勻附著在sic粗孔膜層表面；
(3.2)保持氬氣氣氛，將爐內溫度升至2200℃，保溫2h，使裂解產物中的si-o鍵斷裂生成多孔純sic層，采用氣體壓泡法測試多孔純sic層的孔徑，結果表面平均孔徑為1.5nm。
最后有必要在此說明的是：以上實施例只用于對本發明的技術方案作進一步詳細地說明，不能理解為對本發明保護范圍的限制，本領域的技術人員根據本發明的上述內容作出的一些非本質的改進和調整均屬于本發明的保護范圍。最后有必要在此說明的是：以上實施例只用于對本發明的技術方案作進一步詳細地說明，不能理解為對本發明保護范圍的限制，本領域的技術人員根據本發明的上述內容作出的一些非本質的改進和調整均屬于本發明的保護范圍。