功能纳米涂层修饰氧化铝陶瓷膜的制备及其性能的研究

摘要

随着工业的不断发展以及水资源短缺问题日益严重，如何更好地处理废水成为亟待解决的问题，而膜分离技术在这方面起到了重要作用。无机陶瓷膜具有耐化学侵蚀、耐高温、机械强度好、抗微生物能力强、易清洗、使用寿命长等优点，使其在处理一些特殊废水中非常有效。但是，在利用相转变法和高温烧结技术制备氧化铝陶瓷膜的过程中，由于膜中有机聚合物的分解，膜的表面会出现空隙和孔洞，严重影响膜的分离性能。因此，本文利用水热法对氧化铝膜进行了表面改性，在膜的表面构筑了不同的微纳米结构，以改善膜的表面形貌，并且赋予膜双重功能。
　　本论文采用水热法在氧化铝膜表面制备了具有不同微纳米结构的勃姆石和TiO2涂层，通过SEM、XRD、FTIR对改性前后的氧化铝膜进行了一系列表征，研究了水热反应时间及温度、反应物组成等因素对涂层形态的影响。此外，通过化学气相沉积法（CVD），采用全氟辛基三乙氧基硅烷（POTS）对勃姆石和TiO2涂层膜进行了进一步的疏水改性，利用全自动视频微观接触角测量仪研究了其疏水性及亲油性，并且研究了两种改性膜在刚果红染料吸附中的应用。得出了以下主要结论：
　　（1）利用水热法，以偏铝酸钠和尿素的混合液为原料，在氧化铝膜的表面成功制备出片状和花状结构的勃姆石，当反应温度为160℃，反应时间为24 h时，勃姆石基本覆盖了整个膜表面，填补了膜表面的空隙和孔洞。实验发现：水热反应时间的延长，温度的升高以及用 H2O2/H2SO4预处理氧化铝膜均有利于勃姆石在氧化铝膜表面的生长。
　　（2）当以TiCl3溶液为前驱液，尿素为辅助原料时，采用水热法可在氧化铝膜表面成功制备出TiO2纳米涂层，且TiO2晶体为金红石结构。通过调节尿素/Ti3+摩尔比、TiCl3浓度、反应温度和反应时间等可以调控膜表面TiO2晶体的数量和尺寸。此外，不同的TiCl3浓度可生成不同形态结构的TiO2晶体，当TiCl3浓度不超过0.2 mol/L时，膜表面生长的TiO2晶体为颗粒状，而当TiCl3浓度为0.4 mol/L时，膜表面生长的TiO2晶体为针状结构。
　　（3）经过纳米涂层改性后，氧化铝膜的孔隙率和纯水通量都发生了变化。改性前氧化铝膜的平均孔隙率为54.4％，在0.033 MPa的工作压力下，其最大纯水通量为2600 L/(m2h)；而经过勃姆石涂层改性后，膜的平均孔隙率可降至47.0%，最大纯水通量可降至1704 L/(m2h)；当经过TiO2纳米涂层改性后，膜的平均孔隙率可降至43.2%，最大纯水通量可降至1238 L/(m2h)。
　　（4）勃姆石涂层膜和TiO2涂层膜经过POTS疏水改性后，由于勃姆石涂层和 TiO2涂层有效增加了膜表面的粗糙度，使得膜表面的水接触角分别达156°和150°。除此之外，TiO2涂层膜经过疏水改性后对正己烷显示出亲油性。当TiCl3浓度为0.2 mol/L时，改性氧化铝膜对正己烷表现出超亲油性，而当TiCl3浓度增至0.4 mol/L后，改性膜对正己烷的接触角为36°。
　　（5）氧化铝膜经勃姆石和TiO2纳米涂层改性之后，不但使得膜表面的大孔洞消失，而且分别使氧化铝膜具备了染料吸附和光催化降解功能。在常规条件下（吸附8.5 h）和紫外灯照射下（照射120 min），纯氧化铝膜对溶液中刚果红的去除率分别仅为7%和14%，而勃姆石和 TiO2纳米涂层修饰氧化铝膜对刚果红的去除率分别高达96.2%和94.8%。在过滤实验中，纯氧化铝膜对刚果红的过滤效果不是很明显，其去除率只有11.5%；而经勃姆石涂层改性后氧化铝膜对刚果红的去除率可达64.2%。在前驱液TiCl3的浓度0.4 mol/L的条件下，TiO2涂层改性氧化铝膜对刚果红的去除率高达96.3%。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2氧化铝陶瓷膜的制备方法

1.3 氧化铝陶瓷膜的纳米涂层改性

1.4 勃姆石（γ-AlOOH）的研究背景

1.5 二氧化钛的研究背景

1.6 表面超疏水改性

1.7 陶瓷膜的应用

1.8 本次论文的研究意义及其主要研究内容

第二章 勃姆石纳米涂层修饰氧化铝膜的制备与表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 TiO2纳米涂层修饰氧化铝膜的制备与表征

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 功能纳米涂层修饰氧化铝膜的疏水改性及其在刚果红染料废水中的应用

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 全文总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和专利

致谢