CN109364701A - 一种用于处理高温废气的复合碳化硅陶瓷管及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于处理高温废气的复合碳化硅陶瓷管及制备方法，所述陶瓷管包括支撑体、附着在支撑体表面上的过滤膜以及附着在陶瓷管内的催化剂，所述制备方法包括以下步骤：将复合颗粒粉体、烧结助剂、粘结剂、增塑剂、分散剂、润滑剂加入去离子水球磨混合配制成塑性泥料，所述复合颗粒粉体以碳化硅粉体、金属粉末、烧结添加剂为主原料，经陈腐的塑性泥料成型为生坯，烘干和烧结成支撑体，再涂膜烘干烧结成陶瓷管。提高了除尘效率，在高温、高浓度、强腐蚀性的环境下，以稳定的性能对烟气中的无机和有机元素进行物理拦截和化学催化处理，达到了高效处理的目的。

Description

一种用于处理高温废气的复合碳化硅陶瓷管及制备方法
技术领域
本发明涉及高温废气处理技术领域，尤其是涉及一种用于处理高温废气的复合碳化硅陶瓷管及制备方法。
背景技术
冶金、机械、化工、电力等行业的所排放出来的废气不仅温度高，而且含有大量的粉尘和有害气体，是造成环境污染的主要因素之一。高温条件下，由于废气粘滞力有较大变化，湿度大幅下降，细颗粒凝聚现象大为降低，所以对微粒的分离有较高难度。高温工业废气净化技术的主要种类有：布袋废气净化、旋风废气净化、湿法废气净化、静电废气净化、过滤废气净化等，其中布袋式废气净化不能承受废气的高温，旋风废气净化其可分离粒径较大，只能用于高温废气净化的预处理，湿法废气净化使其热能又不能得到综合利用，但易产生二次污染；静电废气净化又存在一次投资高，占地面积大和绝缘等方面的问题，而与其他类型的除尘器相比，多孔陶瓷过滤器的废气净化效率高，能除去5μm以上的尘粒，最重要的是耐高温，工作温度可达 800℃以上，并且在氧化、还原等高温环境下具有良好的抗腐蚀性，因此多孔陶瓷过滤器在高温除尘方面起到了重要作用，但是多孔陶瓷过滤器的陶瓷管在制备过程中容易出现成品结构不均匀，抗压强度以及韧性不高；过滤膜与支撑体结合度不够，且过滤膜不能有效阻拦小颗粒粉尘，各种废气除去效率不理想。
发明内容
针对上述现有技术中高温废气处理所存在的问题，本发明提供了一种抗压强度及韧性增强、过滤膜与支撑体结合度好、废气除去效率提高的用于处理高温废气的复合碳化硅陶瓷管及制备方法。
本发明通过以下技术方案实现：一种用于处理高温废气的复合碳化硅陶瓷管及制备方法,所述陶瓷管包括支撑体、附着在支撑体表面上的过滤膜以及附着在陶瓷管内的催化剂，所述制备方法包括以下步骤：
A、支撑体的制备
（1）、将如下复合颗粒粉体、烧结助剂、粘结剂、增塑剂、分散剂、润滑剂加入去离子水球磨混合配制成塑性泥料，所述复合颗粒粉体以碳化硅粉体、金属粉末、烧结添加剂为主原料，所述主原料中碳化硅粉体占80～90wt％平均粒径为240-250μm，金属粉末占5～12wt％，烧结添加剂占2～10wt％，所述粘结剂占1～10wt％，所述增塑剂占0.5～15wt％，所述分散剂占0.1～2wt％，所述润滑剂占1～15wt％，所述金属粉末包括含钛、锰、锌的至少一种；
（2）、将A步骤中制成的塑性泥料置在密封下陈腐，然后使用干压成型或等静压成型法将陈腐后的塑性泥料成型为生坯，将成型后的生坯烘干水分，保温；最后在窑炉中以温度为1420-1600℃、保温时间为2-3h的条件下将生坯烧结成支撑体；
B、过滤膜浆料的制备
过滤膜的原料组份的重量配比为：碳化硅粉体85～88wt％平均粒径为20-50μm、增强剂7～10 wt％、碳酸盐 2～4wt％，上述组份重量为100 wt％，外加以过滤膜的原料为基准的羧甲基纤维素钠 1～2wt％、蒸馏水 150-180wt％，各原料按配比均匀混合，制得过滤膜浆料，所述增强剂为重量比为7:1:2的叶腊石、南坑泥、石英粉，所述碳酸盐为碳酸钡或碳酸钙的至少一种；
C、支撑体镀膜
将步骤B中制得的过滤膜浆料喷涂到A步骤中制得的支撑体表面，经室温干燥，再放在烘干箱内恒温60℃～70℃下干燥2～3h，再升温至120～130℃干燥1h～2h，再送入电炉中升温至550～600℃2～3h，然后保温1-3h冷却，制得镀有过滤膜的支撑体；
D、催化剂的涂覆
所述催化剂浆料各组份按配比球磨混合，所述催化剂浆料组份的重量配比为：V2O5占0.3～0.5 wt %、CuO占0.5～0.8 wt％、SiO2占5～10 wt%，其余为TiO2，上述组份重量为100wt％，外加占催化剂浆料重量为基准的：工业级水玻璃 0.1～0.5 wt％、水 50～300 wt％；将C步骤中制得的镀有过滤膜的支撑体浸入到催化剂浆料中进行涂覆，取出后放入微波中在20-25min、功率200-220W、温度在480-520℃的条件下烘干，循环上述涂覆及烘干过程，直至催化剂的重量为支撑体的10-15wt％，得到具有所述高效处理废气的陶瓷管。
进一步地，所述烧结添加剂为石墨、碳化硼或竹炭；所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛或聚乙烯醇水溶液，所述增塑剂为甘油或乙基甲基硫酸，所述分散剂为聚丙烯酸或四甲基氢氧化铵，所述润滑剂为油酸、石蜡或鱼油。
进一步地，所述干压成型或等静压成型的压力为100～250MPa，保压时间为保压时间为10～60s。
上述中：支撑体的原料中的大颗粒碳化硅虽然可使孔隙率提高，但是强度和韧性有所不足，因此在支撑体的原料中加入适量较低熔点的钛、锰、锌等金属粉末形成复合粉体是为了生成的钛、锰、锌的碳化物或硅化物，填充于大颗粒碳化硅颗粒粉末周围，使得大颗粒碳化硅颗粒粉末之间具有更强的结合能力，提高了复合碳化硅材料之间的抗折强度和韧性，需要注意的是，经过试验得出，金属粉末的含量不能超过12%，否则复合碳化硅材料之间的抗折强度和韧性将出现下降趋势。
南坑泥，产于江西省萍乡市芦溪县南坑镇，化学成分：氧化铝:32.70%，二氧化硅52.30%，三氧化二铁1.12%，氧化镁0.20%，氧化钙0.15%，二氧化钛0.14%及少量其他杂质，南坑泥在过滤膜中可增加过滤膜的高温粘结强度、抗热震性和抗蠕变性；
叶腊石，硅酸铝原料，化学结构式为Al2[Si4O10](OH)2，单斜晶系，通常成致密块状、片状或放射状集合体。白色，微带浅黄或浅绿色，半透明。玻璃光泽，珍珠状晕彩；硬度1～2；比重2.66～2.90，具油脂感，叶腊石在过滤膜中可减少过滤膜的收缩与变形，提高过滤膜的强度，同时可有效降低烧结温度，提高致密性；
硅线石，又称矽线石，成分为Al2O3•SiO2或Al2SiO5，其中含Al2O3 63.11%，SiO236.89%，属斜方晶系。晶体呈板柱状、针柱状，通常为放射状与纤维状集合体，有白色、灰白色、灰绿色、褐色，硬度较大6~7。密度3.23~3.25g/cm3。加热过程中能转化为莫来石和二氧化硅混合物，其转化温度较高，为1550~1750℃，体积膨胀为6%~7.2%，温度降低时体积变化很小，石英在过滤膜的可塑性起调剂作用，高温中液相粘度高，能在干燥时降低收缩，缩短干燥时间，防止过滤膜沉塌；
碳酸盐的作用是可以增加过滤膜的耐磨度以及抗腐蚀性，羧甲基纤维素钠是为了增加浆料的粘度，使过滤膜中的小颗粒碳化硅、增强剂和碳酸盐更有效地结合。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：主要采用大颗粒碳化硅为主原料并掺杂金属粉末制成复合材料陶瓷管支撑体，提高支撑体抗压强度和韧性；而在过滤膜中采用小颗粒碳化硅粉体为主原料，有效阻拦高温气体中的微小粉尘颗粒，并在过滤膜浆料中加入复合增强剂，使得支撑体和过滤膜之间不需要过渡层就能很好地结合，小颗粒碳化硅也不会进入到大颗粒碳化硅的孔隙中造成堵塞，提高过滤膜的各项性能；并用在V205、TiO2催化剂加入CuO、SiO2减少了贵金属成本，提高了除尘效率，在高温、高浓度、强腐蚀性的环境下，以稳定的性能对烟气中的无机和有机元素进行物理拦截和化学催化处理，达到了高效处理的目的。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例来进一步详细描述本发明。
实施例一
所述处理高温废气的复合碳化硅陶瓷管及制备方法，所述陶瓷管包括支撑体、附着在支撑体表面上的过滤膜以及附着在陶瓷管内的催化剂，所述制备方法包括以下步骤：
A、支撑体的制备
（1）、将如下复合颗粒粉体、烧结助剂、粘结剂、增塑剂、分散剂、润滑剂加入去离子水球磨混合配制成塑性泥料，所述复合颗粒粉体以碳化硅粉体、金属粉末、烧结添加剂为主原料，所述主原料中碳化硅粉体占80wt％平均粒径为240μm，金属粉末占12wt％(锰、锌各占一半)，烧结添加剂占4wt％，所述粘结剂占1.3wt％，所述增塑剂占0.5wt％，所述分散剂占0.2wt％，所述润滑剂占2wt％，所述烧结添加剂为碳化硼；所述粘结剂为聚乙烯醇水溶液，所述增塑剂为乙基甲基硫酸，所述分散剂为四甲基氢氧化铵，所述润滑剂为石蜡；
（2）、将A步骤中制成的塑性泥料置在密封下陈腐，然后使用干压成型法将陈腐后的塑性泥料成型为生坯，将成型后的生坯烘干水分，保温；最后在窑炉中以温度为1420℃、保温时间为3h的条件将生坯烧结成支撑体，所述干压成型的压力为100MPa，保压时间为保压时间为10s；
B、过滤膜浆料的制备
过滤膜的原料组份的重量配比为：碳化硅粉体86wt％平均粒径为30μm、增强剂10wt％、碳酸盐 4wt％，上述组份重量为100 wt％，外加以过滤膜的原料为基准的羧甲基纤维素钠 2 wt％、蒸馏水 180wt％，各原料按配比均匀混合，制得过滤膜浆料，所述增强剂为重量比为7:1:2的叶腊石、南坑泥、石英粉，所述碳酸盐为碳酸钡；
C、支撑体镀膜
将步骤B中制得的过滤膜浆料喷涂到A步骤中制得的支撑体表面，经室温干燥，再放在烘干箱内恒温60℃下干燥2h，再升温至120℃干燥1h，再送入电炉中升温至600℃2h，然后保温1h冷却，制得镀有过滤膜的支撑体；
D、催化剂的涂覆
所述催化剂浆料各组份按配比球磨混合，所述催化剂浆料组份的重量配比为：V2O5占0.3wt %、CuO占0.5 wt％、SiO2占5 wt%，其余为TiO2，上述组份重量为100 wt％，外加占催化剂浆料重量为基准的：工业级水玻璃 0.1 wt％、水 50 wt％；将C步骤中制得的镀有过滤膜的支撑体浸入到催化剂浆料中进行涂覆，取出后放入微波中在20min、功率200W、温度在480℃的条件下烘干，循环上述涂覆及烘干过程，直至催化剂的重量为支撑体的10wt％，得到具有所述高效处理废气的陶瓷管。
经检测，实施例一制备的高效处理废气的陶瓷管的密度为1 .8g/cm3，耐热急变性：≥650℃,耐酸度≥98%，耐碱度≥92%，其孔隙率为58％，弯曲强度为7MPa；断裂韧性为280Pa·m1/2，将本发明的陶瓷管装配在高温除尘器中，在反应温度480℃、SO2含量2100mg/m3、NO含量469mg/m3、空速4300h-1的条件下、NO去除率96.4％、硫氧化率22.8％。
实施例二
所述处理高温废气的复合碳化硅陶瓷管及制备方法,所述陶瓷管包括支撑体、附着在支撑体表面上的过滤膜以及附着在陶瓷管内的催化剂，所述制备方法包括以下步骤：
A、支撑体的制备
（1）、将如下复合颗粒粉体、烧结助剂、粘结剂、增塑剂、分散剂、润滑剂加入去离子水球磨混合配制成塑性泥料，所述复合颗粒粉体以碳化硅粉体、金属粉末、烧结添加剂为主原料，所述主原料中碳化硅粉体占88wt％平均粒径为250μm，金属粉末占5wt％（钛），烧结添加剂占2wt％，所述粘结剂占1wt％，所述增塑剂占0.6wt％，所述分散剂占0.4wt％，所述润滑剂占3wt％，所述烧结添加剂为石墨；所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，所述增塑剂为甘油，所述分散剂为聚丙烯酸，所述润滑剂为油酸；
（2）、将A步骤中制成的塑性泥料置在密封下陈腐，然后使用等静压成型法将陈腐后的塑性泥料成型为生坯，将成型后的生坯烘干水分，保温；最后在窑炉中以温度为1600℃、保温时间为3h的条件将生坯烧结成支撑体，所述等静压成型的压力为250MPa，保压时间为保压时间为60s；
B、过滤膜浆料的制备
过滤膜的原料组份的重量配比为：碳化硅粉体90 wt％平均粒径为50μm、增强剂7wt％、碳酸盐 3wt％，上述组份重量为100 wt％，外加以过滤膜的原料为基准的羧甲基纤维素钠1wt％、蒸馏水 150wt％，各原料按配比均匀混合，制得过滤膜浆料，所述增强剂为重量比为7:1:2的叶腊石、南坑泥、石英粉，所述碳酸盐为碳酸钙；
C、支撑体镀膜
将步骤B中制得的过滤膜浆料喷涂到A步骤中制得的支撑体表面，经室温干燥，再放在烘干箱内恒温70℃下干燥3h，再升温至130℃干燥2h，再送入电炉中升温至600℃3h，然后保温3h冷却，制得镀有过滤膜的支撑体；
D、催化剂的涂覆
所述催化剂浆料各组份按配比球磨混合，所述催化剂浆料组份的重量配比为：V2O5占0.5 wt %、CuO占0.8 wt％、SiO2占10 wt%，其余为TiO2，上述组份重量为100 wt％，外加占催化剂浆料重量为基准的：工业级水玻璃 0.5 wt％、水 300 wt％；将C步骤中制得的镀有过滤膜的支撑体浸入到催化剂浆料中进行涂覆，取出后放入微波中在25min、功率220W、温度在520℃的条件下烘干，循环上述涂覆及烘干过程，直至催化剂的重量为支撑体的15wt％，得到具有所述高效处理废气的陶瓷管。
经检测，实施例二制备的高效处理废气的陶瓷管的密度为2 .1g/cm3，耐热急变性：≥650℃,耐酸度≥98%，耐碱度≥92%，其孔隙率为65％，弯曲强度为9MPa；断裂韧性为420Pa·m1/2，将本发明的陶瓷管装配在高温除尘器中，在反应温度520℃、SO2含量2200mg/m3、NO含量480mg/m3、空速4200h-1的条件下、NO去除率98.4％、硫氧化率20.1％。
以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照具体实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求保护的范围中。

Claims (3)

1.一种用于处理高温废气的复合碳化硅陶瓷管及制备方法, 其特征在于：所述陶瓷管包括支撑体、附着在支撑体表面上的过滤膜以及附着在陶瓷管内的催化剂，所述制备方法包括以下步骤：
A、支撑体的制备
（1）、将如下复合颗粒粉体、烧结助剂、粘结剂、增塑剂、分散剂、润滑剂加入去离子水球磨混合配制成塑性泥料，所述复合颗粒粉体以碳化硅粉体、金属粉末、烧结添加剂为主原料，所述主原料中碳化硅粉体占80～90wt％ 平均粒径为240-250μm，金属粉末占5～12wt％，烧结添加剂占2～10wt％，所述粘结剂占1～10wt％，所述增塑剂占0.5～15wt％，所述分散剂占0.1～2wt％，所述润滑剂占1～15wt％，所述金属粉末包括钛、锰、锌的至少一种；
（2）、将A步骤中制成的塑性泥料置在密封下陈腐，然后使用干压成型或等静压成型法将陈腐后的塑性泥料成型为生坯，将成型后的生坯烘干水分，保温；最后在窑炉中以温度为1420-1600℃、保温时间为2-3h的条件下将生坯烧结成支撑体；
B、过滤膜浆料的制备
过滤膜的原料组份的重量配比为：碳化硅粉体85～88 wt％ 平均粒径为20-50μm、增强剂7～10 wt％、碳酸盐 2～4wt％，上述组份重量为100 wt％，外加以过滤膜的原料为基准的羧甲基纤维素钠 1～2 wt％、蒸馏水 150-180wt％，各原料按配比均匀混合，制得过滤膜浆料，所述增强剂为重量比为7:1:2的叶腊石、南坑泥、石英粉，所述碳酸盐为碳酸钡或碳酸钙的至少一种；
C、支撑体镀膜
将步骤B中制得的过滤膜浆料喷涂到A步骤中制得的支撑体表面，经室温干燥，再放在烘干箱内恒温60℃～70℃下干燥2～3h，再升温至120～130℃干燥1h～2h，再送入电炉中升温至550～600℃2～3h，然后保温1-3h冷却，制得镀有过滤膜的支撑体；
D、催化剂的涂覆
所述催化剂浆料各组份按配比球磨混合，所述催化剂浆料组份的重量配比为：V2O5占0.3～0.5 wt %、CuO占0.5～0.8 wt％、SiO2占5～10 wt%，其余为TiO2，上述组份重量为100wt％，外加占催化剂浆料重量为基准的：工业级水玻璃 0.1～0.5 wt％、水 50～300 wt％；将C步骤中制得的镀有过滤膜的支撑体浸入到催化剂浆料中进行涂覆，取出后放入微波中在20-25min、功率200-220W、温度在480-520℃的条件下烘干，循环上述涂覆及烘干过程，直至催化剂的重量为支撑体的10-15wt％，得到具有所述高效处理废气的陶瓷管。
2.根据权利要求1所述的一种用于处理高温废气的复合碳化硅陶瓷管及制备方法, 其特征在于：所述烧结添加剂为石墨、碳化硼或竹炭；所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛或聚乙烯醇水溶液，所述增塑剂为甘油或乙基甲基硫酸，所述分散剂为聚丙烯酸或四甲基氢氧化铵，所述润滑剂为油酸、石蜡或鱼油。
3.根据权利要求1所述的一种用于处理高温废气的复合碳化硅陶瓷管及制备方法, 其特征在于：所述干压成型或等静压成型的压力为100～250MPa，保压时间为保压时间为10～60s。
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