陶瓷平板膜对纳米镍粉的过滤行为研究

摘要

为了实现纳米催化与膜分离耦合工业生产的连续化，完善和丰富面向应用过程的陶瓷膜材料设计理论和方法，本文针对陶瓷平板对称膜分离回收纳米镍粉的应用过程，主要从三个方面展开研究工作： 首先考察陶瓷平板对称膜的微结构参数与膜的宏观性能之间的关系。通过对膜孔径，膜厚度等陶瓷膜微结构参数与膜纯水通量的拟合，得出对于由粒子堆积烧结而成的多孔陶瓷膜，改进的K-C方程能更准确地反映膜微结构参数对纯水通量的影响，而将陶瓷膜孔简单抽象成毛细管束的H-P方程的预测值则与实验值有较大偏差。 其次考察纳米镍在陶瓷平板对称膜面上的静态吸附和错流过滤过程中的动态沉积行为。研究结果表明，纳米镍在陶瓷膜表面上的静态吸附符合Langmuir等温吸附方程，纳米镍的吸附量随着时间和浓度的增加先迅速增加而后缓慢上升并趋于稳定；且纳米镍的吸附量随着膜孔径的增大而增大，随着温度的升高而降低。在错流过滤过程中，随着过滤时间和料液浓度的增加，纳米镍的动态沉积量迅速增加，膜渗透通量下降幅度大；对于不同孔径的陶瓷膜，拟稳定通量在0.1~1.5 μm孔径范围内有一最优值。因此在过滤平均粒径为60 nm的镍粉时，选择平均孔径在0.3~0.8 μm范围内的陶瓷膜比较合适，此时膜面上镍的吸附量小，渗透通量高。 最后以纳米镍的分离回收过程为研究背景，以陶瓷膜微结构参数与宏观性能的关系为重点，对纳米颗粒体系的过滤机理进行分析，在已有的颗粒体系的孔堵塞-滤饼过滤模型的基础上进行改进，建立膜性能与微结构关系的模型。结果表明，随着操作压力升高，总过滤阻力增大且堵塞阻力、吸附阻力占总阻力的比例增加；随着膜孔径的增大，新膜阻力急剧下降且占总阻力的比例减小；吸附阻力占总阻力的比例先增大后减小，而堵塞阻力占总阻力的比例则先减小后增大。对于纳米颗粒体系的过滤，由于纳米颗粒的吸附特性，不能简单的采用微米、亚微米级颗粒体系的孔堵塞-滤饼过滤模型，考虑了纳米颗粒尺寸小及其独特的吸附性能而建立的纳米颗粒体系的堵塞-吸附模型能较好的反映渗透通量与过滤时间的关系。