氧化铁超滤平板陶瓷膜的制作方法

本发明涉及氧化铁超滤平板陶瓷膜，特别是涉及用于过滤液体及气体中的颗粒物，同时作为光催化材料降解持久性有机化合物的氧化铁超滤平板陶瓷膜。

技术背景

陶瓷膜技术起源于二战时期原子弹计划用于铀浓缩，后期转为民用产品。是在氧化铝颗粒烧结的支撑体上制成具有微米及以下孔隙的用来过滤的陶瓷膜。从上世纪80年代起，美国、日本、法国等国家都陆陆续续的有了陶瓷微滤膜和超滤膜，取得了一定的规模化的应用，其产品的产业化、商业化程度已经达到了较高的水平，产品的技术水平也有了很大的提高，其中美国、日本、法国等国家在陶瓷膜的开发和应用方面发展极为迅速。

无机陶瓷膜由于具有耐高温、耐化学腐蚀、机械强度好，抵抗微生物能力强、渗透通量大、可清洗性强、孔径分布均匀、使用时间长等特性，尤其在高温、强酸碱、有机溶剂等有机膜无法承受的苛刻环境下具有很好的耐受力，使得陶瓷膜在化学与石油化工、食品、生物、医药、环保等各个领域都获得了成功的应用。

陶瓷膜的材料主要有两大类：一类是由纯Al2O3组成的基材，法国Pall公司是此类的代表；另一类是复合基材，是以法国Orelis和TAMI公司为代表，其中Orelis是以TiO2、Al2O3组成复合基材，而TAMI公司则增加了ZrO2，这三家是在陶瓷膜领域领先的公司，膜生产技术均来源于法国。后在日、德、美等国规模生产及应用。

但到目前为止还没有氧化铁陶瓷膜。氧化铁作为原料成本低，耐强碱，可吸附砷等重金属离子，可在可见光照射下就进行电子迁移而对有机污染物进行降解的催化材料。因而用氧化铁制成的超滤陶瓷膜，在过滤水、气体中颗粒物的同时，可在可见光照射下对有机污染物进行降解，尤其可吸附水中的砷等重金属离子，在水、气体处理中有明显不同和优势。

技术实现要素：

本发明提供了氧化铁陶瓷平板膜。平板支撑体为氧化铝颗粒挤出、干燥然后烧结而成，孔径为3-15微米左右。支撑体为平板状，沿板长方向内部有多个排水或排气通道。陶瓷板外为陶瓷膜层，由氧化铁颗粒烧结而成。氧化铁陶瓷膜的过滤孔径为20纳米到1微米。膜即可过滤液体或气体中的相应颗粒物质，也可以在可见光的照射下，同时对在液体或气体中的有机物进行降解。

制备氧化铁超滤膜的方法如下，将铁盐溶于水中，加入碱液，加热，溶液变为暗红色，显示有氢氧化铁纳米颗粒的溶胶产生，在此溶胶中加入乙二醇、甲基纤维素等添加剂，使溶胶增加粘合力，并易于在支撑体上成膜。将生产的溶胶均匀涂在氧化铝支撑体上，干燥后放入烧结炉在400摄氏度烧制一个小时。炉温下降后取出为孔径20纳米到1微米的氧化铁陶瓷膜。孔径的大小与各个溶液的浓度、相互比例有关，也与烧结温度及升降温速率密切相关。

所得的铁陶瓷膜作为光催化降解有机分子的非常理想的载体。膜的表面是高度多孔的，因此容易吸收有机分子。氧化钛分子易于获得催化活性。催化作用由可见光或阳光驱动，更强烈的光可能会加速降解的速度。

铁盐可以是氯化铁、硫酸亚铁、硝酸铁等，以硫酸亚铁为佳。碱液可为氢氧化钠、氢氧化钙或氨水，以氨水为佳。

这种陶瓷多孔膜用于光催化应用的应用提供了优于现有技术的系统，其中金属氧化物材料的膜，如阿尔法氧化铁化合物，涂覆在支撑表面上。由于这些金属氧化物膜的表面是多孔的，因此膜为相同的物理尺寸和材料重量提供了较大的有效表面积，从而使得可能更多的催化剂可用于衬底。这样，可以在反应器或催化表面积的相同大小或体积内实现更有效和更有效的光催化过程。虽然不能预先预测这些膜中的金属氧化物分子可用于催化活性，但已经发现，在这种膜中，金属的催化活性确实发生，并且在比现有技术金属膜更高的单位重量或总表面积活性的水平。

氧化铁陶瓷膜烧制在平板氧化铝支撑体上，待处理液体或气体从板外出通过外加压力或板中间的真空吸力透光陶瓷膜，被过滤的液体或气体从中空通道流出。与此同时，陶瓷膜如果在外侧有可见光照射的情况下，激发氧化铁中电子迁移，从而是接触的有机物分子氧化还原而降解。

附图说明

图1所示是氧化铁陶瓷超滤平板膜的结构图。(1)是氧化铝支撑体；(2)是氧化铁陶瓷膜层：(3)待处理液体或气体进入方向；(4)处理后液体或气体排出方向。

图2所示氧化铁陶瓷膜表面扫描电镜图片。

图3所示氧化铁超滤平板陶瓷膜组件工作流程图。(1)使陶瓷膜组件；(2)为待处理液体；(3)泵；(4)过滤后液体。

图4所示为氧化铁超滤平板陶瓷膜组件过滤气体中颗粒物及光催化降解有机物工作流程图。(1)为氧化铁陶瓷膜组件；(2)待处理气体；(3)泵；(4)处理后的气体；(5)可见光；(6)测量仪器。

具体实施方式

a)颗粒膜的制备

制备氧化铁超滤膜的方法如下：将铁盐溶于水中，加入碱液，加热，溶液变为暗红色，显示有氢氧化铁纳米颗粒的溶胶产生，在此溶胶中加入乙二醇、甲基纤维素等添加剂，使溶胶增加粘合力，并易于在支撑体上成膜。将生产的溶胶均匀涂在氧化铝支撑体上，干燥后放入烧结炉在400摄氏度烧制一个小时。炉温下降后取出为孔径20纳米到1微米的氧化铁陶瓷膜。

b)氧化铁陶瓷膜在扫描电镜下表征

用扫描电镜对膜进行成像，观察膜表面颗粒形态、孔径大小及分布。图2显示膜颗粒和孔径大小比较均匀，孔径直径小于1微米。膜表面平整光滑。

c)用氧化铁陶瓷超滤平板膜过滤水中颗粒物

过滤水中颗粒物的实验装置入图3所示。以某个河道中的流动水为样品，用水泵驱动使水通过氧化铁陶瓷膜过滤器。用浊度计测量水的浊度，显示此膜可使水的浊度下降90％。

d)用氧化铁陶瓷超滤平板膜过滤气体中颗粒物

在密闭空间内用空气泵抽氧化铁平板陶瓷膜组件，使空间中空气经过膜过滤，如此循环，采用honeywell的PM2.5空气检测器，可使空间中PM2.5从60降低到2毫克/立方。

e)陶瓷膜光催化降解三氯乙烯

气相有机分子的光催化也可以在这样的氧化铁多孔陶瓷膜上进行。为了执行这样的反应，在密闭空间内用可见光照射氧化铁陶瓷膜表面。含三氯乙烯的空气在泵的驱动下透过氧化铁膜，如此使气体循环，记录起始和结束三氯乙烯的浓度，下降了40％。可见在光的照射下，氧化铁膜可有效降解三氯乙烯等有机物。