多孔陶瓷膜孔隙结构输运性能的计算模拟与实验研究

摘要

多孔陶瓷膜属于膜分离技术领域的重要分支，与有机膜相比，陶瓷膜材质具有耐高温、抗化学腐蚀、机械强度高和环境友好等诸多优点，在化工、能源、冶金、环保等领域得到越来越广泛的应用。
　　对多孔陶瓷膜的孔结构输运性能进行定量表征可为多孔陶瓷膜制备和应用提供重要参考。本课题基于三维孔结构数据，建立扩散数值模拟方法综合分析多孔陶瓷孔隙的连通性和曲折因子大小，扩散模拟的研究对象包括相转化流延法制得的多孔氧化铝样品和计算机产生的孔隙随机分布的虚拟样品。
　　第一章简要地介绍了多孔陶瓷膜的研究和应用现状，主要内容包括多孔陶瓷膜的分类、孔结构成型工艺、表征参数及其方法、三维微结构的断层扫描成像研究。
　　第二章以一个虚拟的孔隙随机分布样品为例，详细介绍了扩散数值模拟方法的建立过程，指出该方法可根据稳态下孔隙内扩散物质的浓度分布，分析孔结构的连通性，包括区分贯通孔、半开孔和封闭孔，并对各自含量进行统计;该方法还可进一步识别贯通孔中对输运不起作用的无效孔;根据多孔样品在扩散模拟稳态下的扩散通量，结合由浓度分布区分出的各类孔隙率，可计算由总孔隙率、贯通孔孔隙率以及输运有效孔隙率分别修正得到的三类曲折因子。此外，第二章还研究了孔隙随机分布样品的孔隙率、取样尺寸大小和厚度与边长之比对曲折因子大小的影响。
　　第三章采用相转化流延法制备了非对称氧化铝多孔陶瓷膜并利用SRCT技术获得其三维孔结构数据。利用扩散数值模拟方法分析其沿指状孔生长方向的孔结构输运性能，同时采用计算机产生尺寸和孔隙率与其一致的虚拟样品作对比，结果表明对于总孔隙率都为34.7％的两种样品，前者的输运有效孔隙率为27.98％，后者的输运有效孔隙率为9.96％。对两种样品的曲折因子计算表明，相转化流延法制得的氧化铝陶瓷膜分别以总孔隙率、贯通孔孔隙率以及输运有效孔隙率修正得到的曲折因子为2.01，1.94，1.62，而孔隙随机分布虚拟样品对应的三类曲折因子分别为67.28，46.17，19.30。由扩散有效曲折因子可推算得几何曲折因子，该值直接反映了孔隙通道的弯曲程度，经计算，相转化样品几何曲折因子为1.27，而孔隙随机分布样品为4.39。两种样品各类曲折因子计算结果的横向和纵向对比有力地说明相转化流延法制得的多孔陶瓷的孔隙结构非常利于物质输运。
　　第四章采用相转化流延法和添加石墨造孔剂制备多孔支撑层的双层流延方法制备非对称氧化铝多孔陶瓷膜和非对称YSZ-LSM陶瓷氧分离膜，对其中的多孔陶瓷膜进行气体渗透测试，实验表明相转化流延法制备的陶瓷膜气体渗透通量要远大于普通双层流延法;氧分离膜的氧气渗透测试结果也表明相转化流延法制备的氧分离膜具有更大的氧渗透通量。本章从实验上说明相转化流延法制备非对称陶瓷分离膜不仅工艺简单，而且制备的分离膜的多孔支撑层所具有的特殊孔结构有利于提高分离膜的分离通量。
　　第五章对本论文的工作进行了总结，并对多孔陶瓷膜孔隙输运性能模拟研究的进一步工作进行了展望。