高稳定性疏水多孔陶瓷膜的制备及分离性能研究

摘要

陶瓷膜是一种重要的分离材料，在废水处理、气体分离、生物医药、食品加工中得到广泛应用，成为膜分离技术进步的重要标志。与高分子膜相比，陶瓷膜具有更好的化学、热和机械稳定性。由于表面羟基的存在，几乎所有的陶瓷膜为天然亲水性，通过表面修饰将其转化为疏水性，可以用于膜蒸馏海水淡化、油水分离。本论文在实验室前期工作的基础上，以多孔氧化铝平板膜为基底材料，研究新型高稳定性表面疏水改性方法并探索其在膜蒸馏海水淡化、油水分离中的应用;通过构建微纳米分层结构和表面疏水改性制备超疏水自清洁表面;研究盒状结构膜元件的设计、制备和应用。
　　第一章主要介绍多孔陶瓷膜的发展现状，包括膜材料和膜结构、膜制备、膜表征和膜应用等。重点介绍了膜蒸馏海水淡化、油水分离技术和超疏水自清洁表面的制备方法。最后阐述了本论文的研究思路和主要研究内容。
　　第二章研究新型非对称多孔陶瓷膜的制备方法。采用相转化流延/烧结法，并通过引入石墨牺牲层，制备出不含海绵层或者皮肤层的多孔氧化铝平板膜。对于不含海绵层的平板膜，其皮肤层可以起分离作用;而不含皮肤层的平板膜，其海绵层则起分离作用。测试表面:前者的透气透水性能显著优于后者。本章还采用热压成型工艺对相转化流延法得到的坯体进行热压处理，发现随着热压压力增大，膜的厚度和孔隙率降低，导致机械强度增大，而透气透水速率减小。
　　第三章研究了高稳定性表面疏水陶瓷膜的制备方法。以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为前驱体，通过控制热解温度和反应气氛，在多孔氧化铝平板膜表面原位生长纳米颗粒。采用SEM、TEM、EDS、XPS、FT-IR等手段表征和分析，发现纳米粒子的骨架为由Si、C、O等元素构成的非晶态无机网络，其表面含有大量的甲基。采用这种无机/有机杂化纳米粒子修饰的氧化铝平板膜，其表面疏水角达到136°。其置于450℃的高温空气，pH为2～12的水溶液，或采用砂纸打磨，疏水性仍得以保持。相比于氟硅烷(FAS)修饰的氧化铝膜，本方法制备的疏水氧化铝膜表现出更加优异的化学、热和机械稳定性。
　　第四章在前两章工作的基础上，研究了表面疏水多孔氧化铝平板膜在膜蒸馏海水淡化和油水分离中的应用。采用相转化流延/成型技术制备氧化铝平板膜，总厚度为700μm，包含顶部皮肤层(～8μm)、中间指状孔层(～630μm)和底部海绵层(～60μm)，氧化铝膜的总孔隙率为58％，平均孔径为0.8μm。经PDMS疏水改性后的多孔氧化铝平板膜显示出优异的膜蒸馏海水淡化性能。采用吹扫气式膜蒸馏(SGMD)，热料液(75℃)盐浓度12wt.％进行测试，其纯水通量在90h后才出现下降，并且经纯水冲洗后通量恢复。采用（模拟）海水测试，纯水通量在40h内保持稳定，整个测试过程中截盐率均高于99.9％。稳定的疏水层使得该修饰后的氧化铝膜有望用于高盐浓度条件下的零排放膜蒸馏过程。采用该疏水膜进行汽油/水分离实验，分离效率达到99.2％。
　　第五章研究了超疏水氧化铝的制备和自清洁性能。首先通过水热合成的方法在平板状多孔氧化铝膜片表面涂覆一层花瓣状氧化铝颗粒。氧化铝颗粒的直径约2μm，而每一个花瓣状氧化铝又包含众多宽度约100nm的片状氧化铝。随后采用第三章所述方法对其进行表面改性处理。测试结果显示:膜片表面的水静态接触角高达170°，滚动角仅5°;在pH为2～12的水溶液中浸泡后，氧化铝膜片仍保持超疏水特性。该表面超疏水氧化铝膜片展现了优异的自清洁和抗污染性能。
　　第六章研究盒状结构新型膜元件的制备和性能。该元件由两片起分离作用的平板膜和一片起力学支撑和流体分配作用的框架构成。采用相转化流延法/叠层/烧结方法制备了盒状结构氧化铝膜元件。测试表明:与单片膜相比，盒状结构膜元件的透水速率没有明显变小。最后，基于盒状结构膜元件，设计和制备了单通道和多通道两种膜组件。
　　第七章对本论文的工作进行了总结，并对今后的研究工作进行了展望。

目录

声明

摘要

第一章 多孔陶瓷膜及海水淡化、油水分离研究概述

1．2 多孔陶瓷膜简介

1．2．1 膜材料和膜结构

1．2．2 多孔陶瓷膜的制备方法

1．2．3 多孔陶瓷膜的结构表征方法

1．2．4 多孔陶瓷膜的应用领域

1．3 海水淡化简介

1．3．1 热法海水淡化

1．3．2 膜法海水淡化

1．3．3 膜蒸馏海水淡化

1．4 油水分离简介

1．5 超疏水自清洁表面简介

1．5．1 固体表面润湿理论

1．5．2 仿生超疏水表面

1．5 本文研究思路和主要内容

参考文献

第二章 多孔氧化铝平板膜的制备和表征

2．1 引言

2．2 实验过程

2．2．1 多孔氧化铝陶瓷平板膜的制备

2．2．2 热压工艺对多孔氧化铝平板膜结构的调控

2．2．3 材料表征方法

2．3 实验结果和分析

2．3．1 氧化铝坯体的烧结行为

2．3．2 氧化铝平板膜的结构分析

2．3．3 氧化铝平板膜的流体渗透性能

2．3．4 热压工艺对氧化铝平板膜孔结构的调控

2．4 本章小结

参考文献

第三章 聚二甲基硅氧烷用于陶瓷表面疏水改性研究

3．1 引言

3．2 实验过程

3．2．1 表面疏水多孔氧化铝陶瓷平板膜的制备

3．2．2 表征方法

3．3．1 疏水角测试

3．3．2 聚二甲基硅氧烷疏水改性机理研究

3．3．3 疏水稳定性研究

3．4 本章小结

参考文献

第四章 多孔氧化铝平板膜在膜蒸馏海水淡化及油水分离中的应用

4．1 引言

4．2 膜蒸馏过程中的传质传热理论

4．2．1 传质理论

4．2．2 传热理论

4．3 多孔氧化铝平板膜在膜蒸馏海水淡化中的应用

4．3．1 多孔氧化铝平板膜修饰前后渗透性能表征

4．3．2 疏水多孔氧化铝平板膜膜蒸馏性能测试

4．4 多孔氧化铝平板膜在油水分离中的应用

4．4．1 多孔氧化铝平板膜疏水性表征

4．4．2 亲油疏水多孔氧化铝平板膜油水分离性能测试

4．5 本章小结

参考文献

第五章 超疏水表面的制备和自清洁、抗污染性能研究

5．1 引言

5．2 实验过程

5．2．1 超疏水自清洁表面的制备

5．2．2 表征方法

5．3 实验结果和讨论

5．3．1 静态疏水角测试和水滴动态分析

5．3．2 超疏水表面机理研究

5．3．3 超疏水表面稳定性研究

5．3．4 超疏水表面自清洁性能研究

5．3 本章小结

参考文献

第六章 盒状膜结构及膜组件的设计、制备和应用研究

6．1 引言

6．2 制备过程

6．3 盒装膜结构表征

6．4 膜组件的设计和制备

6．5 本章小结

第七章 总结和展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果