高穩(wěn)定性疏水多孔陶瓷膜的制備及分離性能研究.pdf

1、陶瓷膜是一種重要的分離材料，在廢水處理、氣體分離、生物醫(yī)藥、食品加工中得到廣泛應(yīng)用，成為膜分離技術(shù)進步的重要標志。與高分子膜相比，陶瓷膜具有更好的化學、熱和機械穩(wěn)定性。由于表面羥基的存在，幾乎所有的陶瓷膜為天然親水性，通過表面修飾將其轉(zhuǎn)化為疏水性，可以用于膜蒸餾海水淡化、油水分離。本論文在實驗室前期工作的基礎(chǔ)上，以多孔氧化鋁平板膜為基底材料，研究新型高穩(wěn)定性表面疏水改性方法并探索其在膜蒸餾海水淡化、油水分離中的應(yīng)用;通過構(gòu)建微納米分層結(jié)

2、構(gòu)和表面疏水改性制備超疏水自清潔表面;研究盒狀結(jié)構(gòu)膜元件的設(shè)計、制備和應(yīng)用。
　　第一章主要介紹多孔陶瓷膜的發(fā)展現(xiàn)狀，包括膜材料和膜結(jié)構(gòu)、膜制備、膜表征和膜應(yīng)用等。重點介紹了膜蒸餾海水淡化、油水分離技術(shù)和超疏水自清潔表面的制備方法。最后闡述了本論文的研究思路和主要研究內(nèi)容。
　　第二章研究新型非對稱多孔陶瓷膜的制備方法。采用相轉(zhuǎn)化流延/燒結(jié)法，并通過引入石墨犧牲層，制備出不含海綿層或者皮膚層的多孔氧化鋁平板膜。對于不含海綿層

3、的平板膜，其皮膚層可以起分離作用;而不含皮膚層的平板膜，其海綿層則起分離作用。測試表面:前者的透氣透水性能顯著優(yōu)于后者。本章還采用熱壓成型工藝對相轉(zhuǎn)化流延法得到的坯體進行熱壓處理，發(fā)現(xiàn)隨著熱壓壓力增大，膜的厚度和孔隙率降低，導致機械強度增大，而透氣透水速率減小。
　　第三章研究了高穩(wěn)定性表面疏水陶瓷膜的制備方法。以聚二甲基硅氧烷(PDMS)為前驅(qū)體，通過控制熱解溫度和反應(yīng)氣氛，在多孔氧化鋁平板膜表面原位生長納米顆粒。采用SEM、T

4、EM、EDS、XPS、FT-IR等手段表征和分析，發(fā)現(xiàn)納米粒子的骨架為由Si、C、O等元素構(gòu)成的非晶態(tài)無機網(wǎng)絡(luò)，其表面含有大量的甲基。采用這種無機/有機雜化納米粒子修飾的氧化鋁平板膜，其表面疏水角達到136°。其置于450℃的高溫空氣，pH為2～12的水溶液，或采用砂紙打磨，疏水性仍得以保持。相比于氟硅烷(FAS)修飾的氧化鋁膜，本方法制備的疏水氧化鋁膜表現(xiàn)出更加優(yōu)異的化學、熱和機械穩(wěn)定性。
　　第四章在前兩章工作的基礎(chǔ)上，研究了

5、表面疏水多孔氧化鋁平板膜在膜蒸餾海水淡化和油水分離中的應(yīng)用。采用相轉(zhuǎn)化流延/成型技術(shù)制備氧化鋁平板膜，總厚度為700μm，包含頂部皮膚層(～8μm)、中間指狀孔層(～630μm)和底部海綿層(～60μm)，氧化鋁膜的總孔隙率為58％，平均孔徑為0.8μm。經(jīng)PDMS疏水改性后的多孔氧化鋁平板膜顯示出優(yōu)異的膜蒸餾海水淡化性能。采用吹掃氣式膜蒸餾(SGMD)，熱料液(75℃)鹽濃度12wt.％進行測試，其純水通量在90h后才出現(xiàn)下降，并且經(jīng)

6、純水沖洗后通量恢復。采用（模擬）海水測試，純水通量在40h內(nèi)保持穩(wěn)定，整個測試過程中截鹽率均高于99.9％。穩(wěn)定的疏水層使得該修飾后的氧化鋁膜有望用于高鹽濃度條件下的零排放膜蒸餾過程。采用該疏水膜進行汽油/水分離實驗，分離效率達到99.2％。
　　第五章研究了超疏水氧化鋁的制備和自清潔性能。首先通過水熱合成的方法在平板狀多孔氧化鋁膜片表面涂覆一層花瓣狀氧化鋁顆粒。氧化鋁顆粒的直徑約2μm，而每一個花瓣狀氧化鋁又包含眾多寬度約100

7、nm的片狀氧化鋁。隨后采用第三章所述方法對其進行表面改性處理。測試結(jié)果顯示:膜片表面的水靜態(tài)接觸角高達170°，滾動角僅5°;在pH為2～12的水溶液中浸泡后，氧化鋁膜片仍保持超疏水特性。該表面超疏水氧化鋁膜片展現(xiàn)了優(yōu)異的自清潔和抗污染性能。
　　第六章研究盒狀結(jié)構(gòu)新型膜元件的制備和性能。該元件由兩片起分離作用的平板膜和一片起力學支撐和流體分配作用的框架構(gòu)成。采用相轉(zhuǎn)化流延法/疊層/燒結(jié)方法制備了盒狀結(jié)構(gòu)氧化鋁膜元件。測試表明:與