高性能陶瓷多孔膜制備表征及膜蒸餾海水淡化應(yīng)用研究.pdf

1、陶瓷膜相比于高分子膜,具有化學(xué)穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高、耐有機(jī)溶劑、耐微生物侵蝕、耐老化、使用壽命長、對環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn),受到越來越多的關(guān)注,在環(huán)境工程、能源工程、化學(xué)工程、食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。陶瓷膜技術(shù)的應(yīng)用對于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排,促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。然而陶瓷膜的發(fā)展仍然存在許多制約的瓶頸,尤其是傳統(tǒng)的陶瓷膜制備過程繁瑣,工藝復(fù)雜,成本居高不下,極大的限制了其應(yīng)用范圍。
　　

2、本課題基于相轉(zhuǎn)換法一次成型技術(shù)結(jié)合一次高溫?zé)Y(jié)制備高性能的非對稱多孔陶瓷平板膜和中空纖維膜,有望大幅度簡化陶瓷膜的制備工藝,降低陶瓷膜的制備成本,提高陶瓷膜的性能并拓展其應(yīng)用范圍。同時(shí),本課題中發(fā)展了多孔陶瓷膜的性能表征技術(shù),尤其是結(jié)合Otsu圖像分析技術(shù)和SR-CT三維重構(gòu)技術(shù)來表征多孔材料的孔隙結(jié)構(gòu)。最后,本課題著重研究了多孔陶瓷纖維膜表面修飾在膜蒸餾過程中的應(yīng)用。
　　 第一章主要系統(tǒng)的介紹了多孔陶瓷膜的研究現(xiàn)狀,包括多孔

3、陶瓷膜的分類、制備工藝介紹、表征方法介紹等。最后著重介紹了膜蒸餾技術(shù)的原理、膜蒸餾材料的研究現(xiàn)狀及存在的不足。
　　 第二章主要研究了利用相換轉(zhuǎn)流延法結(jié)合高溫?zé)Y(jié)制備氧化鋁多孔平板膜,并發(fā)展了多種表征手段對制備的平板膜進(jìn)行表征。所制備的氧化鋁多孔平板膜厚度約為0.7mm,孔隙率高達(dá)58.6％,具有典型的非對稱結(jié)構(gòu),包含一個(gè)厚的指狀孔層,厚度約0.6mm,孔隙率約為59.6％,以及一個(gè)很薄的海綿狀孔層,厚度約0.1mm,孔隙率約為

4、35.1％。采用基于Otsu圖像分析技術(shù)的二維BSE-SEM方法和基于SR-CT技術(shù)的三維重構(gòu)法分析多孔平板膜的孔結(jié)構(gòu),兩種方法計(jì)算得到的孔隙率都和阿基米德法吻合得較好。同時(shí)利用SR-CT方法可以獲得多孔平板膜孔隙的三維連通情況,這是其他二維方法很難做到的。制備的氧化鋁多孔平板膜具有優(yōu)異的滲透性能,在水處理、海水脫鹽、醫(yī)藥生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。
　　 第三章主要研究了利用相換轉(zhuǎn)紡絲法結(jié)合高溫?zé)Y(jié)制備氧化鋁多孔中空纖維膜

5、,同時(shí)考察了內(nèi)凝聚劑對中空纖維膜結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)內(nèi)凝聚劑為純水或者低濃度的乙醇水溶液時(shí),制備的中空纖維膜呈現(xiàn)典型的三明治結(jié)構(gòu),膜的內(nèi)側(cè)和外側(cè)各有一個(gè)厚的指狀孔層,以及中間包含一個(gè)薄的海綿狀孔層。隨著內(nèi)凝聚劑中乙醇含量的增加,膠凝能力下降,制備的中空纖維膜外徑變大,膜壁變薄,外層的指狀孔不斷向內(nèi)側(cè)擴(kuò)展。當(dāng)內(nèi)凝聚劑中乙醇的含量達(dá)到75vol％時(shí),膠凝能力太弱以至于濕膜的內(nèi)側(cè)難以發(fā)生瞬時(shí)分相,而指狀孔層幾乎消失,形成海綿狀孔層。同時(shí),制備的中空

6、纖維膜的孔隙率、平均孔徑、氮?dú)鉂B透通量、純水滲透通量隨著內(nèi)凝聚劑組成中乙醇含量的增加先增大,在乙醇含量為50％時(shí)達(dá)到最大值,當(dāng)乙醇含量為75％時(shí)又出現(xiàn)下降趨勢。研究表明,通過改變內(nèi)凝聚劑的組成可以實(shí)現(xiàn)對陶瓷中空纖維膜微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控優(yōu)化,適當(dāng)降低內(nèi)凝聚的膠凝能力對優(yōu)化膜的結(jié)構(gòu)性能是有利的.
　　 第四章主要研究了氧化鋁多孔中空纖維膜表面修飾變?yōu)槭杷圆?yīng)用于真空式膜蒸餾過程。采用相轉(zhuǎn)換法&燒結(jié)制備的氧化鋁多孔中空纖維膜通過氟硅烷(

7、FAS)表面修飾由原來的親水性變?yōu)槭杷?接觸角由修飾前的48°變?yōu)榱?30°,并且FAS修飾后的中空纖維膜與修飾之前相比透氣性能幾乎沒有變化,但是純水滲透性能改變顯著,在壓差大于1.5bar時(shí),才觀測有水透過。FAS表面修飾的中空纖維膜應(yīng)用于真空式膜蒸餾過程,并表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。在熱側(cè)為80°C,4wt％的NaCl水溶液,透過側(cè)通過抽真空使壓力維持在0.04bar時(shí),獲得了非常高的水通量42.9Lm-2h-1,并且NaCl離子的截留率

8、大于99.5％,性能可以與目前研究的性能最好的高分子膜相媲美。本論文所研究的表面修飾的氧化鋁中空纖維膜在海水淡化等領(lǐng)域有非常好的應(yīng)用潛力。
　　 第五章主要研究了8％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)多孔中空纖維膜表面修飾變?yōu)槭杷圆?yīng)用于真空式膜蒸餾過程。YSZ陶瓷相比于氧化鋁陶瓷具有更優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度,在本論文中采用相轉(zhuǎn)換法與高溫?zé)Y(jié)相結(jié)合制備了非對稱結(jié)構(gòu)的多孔YSZ中空纖維膜,與之前研究的氧化鋁中空纖維膜相比,海綿狀孔

9、層更薄,同時(shí)具有更高的孔隙率(54％)和更小的孔徑(0.55μm)。通過FAS表面修飾由原來的親水性變?yōu)槭杷?接觸角由修飾前的50°變?yōu)榱?39°.FAS修飾后的中空纖維膜與修飾之前相比透氣性能幾乎沒有變化,但是純水滲透性能改變顯著,在壓差大于2.9bar時(shí),才有水透過。FAS表面修飾的中空纖維膜應(yīng)用于真空式膜蒸餾過程,并表現(xiàn)相比于之前研究的氧化鋁中空纖維膜具有更優(yōu)異的性能。在熱側(cè)為80°C,4wt％的NaCl水溶液,透過側(cè)通過抽真空