膜蒸餾海水淡化和油水分離用疏水多孔陶瓷膜研究.pdf

1、自問世以來，膜分離技術(shù)迅速發(fā)展，已經(jīng)在石油化工、能源、食品和生物工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為當(dāng)今最為重要的分離技術(shù)之一。隨著膜分離技術(shù)的發(fā)展，對膜材料的通量、穩(wěn)定性、分離效率的要求也日趨苛刻。本實驗室的前期研究工作表明，陶瓷膜(Al2O3、 YSZ等)具有優(yōu)于高分子膜的化學(xué)、熱穩(wěn)定性以及與之可比的膜蒸餾海水淡化性能。本論文在此基礎(chǔ)上，圍繞陶瓷膜的制備、表面修飾、海水淡化和油水分離性能開展了一系列的研究工作。
　　第一章為全文綜述，

2、首先介紹了多孔陶瓷膜的概念，包括膜結(jié)構(gòu)、膜過程、膜制備和膜表征;接著概述了現(xiàn)有的海水淡化和油水分離的技術(shù)，評估了膜分離方法的研究現(xiàn)狀;最后提出了本論文的研究思路和主要內(nèi)容。
　　第二章研究了多孔陶瓷膜的相轉(zhuǎn)化成型和表面改性方法。采用相轉(zhuǎn)化成型的陶瓷膜包含海綿層和指狀孔層。海綿層含有亞微米孔，厚度較小，因此可以作為起分離作用的功能層，而指狀孔層含有孔徑為數(shù)十微米的直孔，沿膜厚方向排列，傳質(zhì)阻力小，同時其厚度較大，因此為分離功能層提供

3、力學(xué)支撐。通過在陶瓷膜表面嫁接氟硅烷，使得膜表面的純水接觸角從46°增至135°。采用水熱法在陶瓷膜表面生長了ZnO納米柱，然后在其上嫁接氟硅烷，獲得了接觸角大于150°的超疏水表面。
　　第三章研究了氟硅烷分子在陶瓷表面的結(jié)合方式以及膜表面疏水層的穩(wěn)定性。采用熱重和紅外光譜分析證實陶瓷表面含有氟硅烷，其中大部分氟硅烷以物理吸附方式附著在陶瓷表面，采用高分辨率X光電子能譜分析揭示部分氟硅烷分子為化學(xué)吸附，即通過Si-O-M化學(xué)鍵嫁

4、接到陶瓷表面。實驗表明:膜表面的氟硅烷疏水層在空氣中能長時間保持穩(wěn)定，在水和乙醇中則會緩慢流失。熱分析表明:疏水陶瓷膜的工作溫度應(yīng)低于200℃，溫度過高將導(dǎo)致氟硅烷修飾層破壞。
　　第四章研究了基于平板狀疏水陶瓷膜的膜蒸餾鹽水淡化過程。采用相轉(zhuǎn)化流延—高溫?zé)Y(jié)—表面嫁接氟硅烷制備多孔氧化鋁膜，其透氣性能優(yōu)異，氮氣滲透率高達1.0×106 Lm-2h-1bar-1。由于陶瓷膜表面呈疏水性，允許水蒸氣通過，而液態(tài)水及其所含的非揮發(fā)性物

5、質(zhì)無法透過，因此可以用于膜蒸餾鹽水淡化。采用陶瓷膜進行膜蒸餾鹽水淡化實驗，將膜的一側(cè)與濃度為2wt.％的NaCl熱溶液(80℃)接觸，另一側(cè)與冷凝水(20℃)直接接觸，測得水滲透通量為19.1 Lm-2h-1，鹽的截留率大于99.5％。疏水性陶瓷膜顯示出良好的鹽水淡化性能，與高分子膜可比，并且其穩(wěn)定性優(yōu)于后者。第五章受自然界中存在的“荷葉效應(yīng)”（抗污染、自清潔）啟發(fā)，提出通過在陶瓷膜表面構(gòu)建超疏水層，以增強鹽水淡化用陶瓷膜的抗污染性能。

6、采用第二章所述方法制備了超疏水氧化鋁中空纖維膜，采用該陶瓷膜進行膜蒸餾鹽水淡化實驗，發(fā)現(xiàn)其水通量和截鹽率隨時間降低的幅度顯著低于常規(guī)疏水膜，證實超疏水膜具有更好的抗污染性能。
　　第六章研究了多孔陶瓷的油水分離性能。采用相轉(zhuǎn)化成型方法制備了多孔氧化鋁平板膜，包含上下貫通的指狀孔，孔道直徑沿厚度方向呈梯度變化，上表面孔徑約15～30μm，下表面約80～100μm。由于該陶瓷膜為親水疏油性（水接觸角為0°，水下油接觸角約130°），純

7、水能夠順利透過，通量高達12.6 Lm-2s-1kPa-1，油性物質(zhì)無法滲透，辛烷截止壓力為1.1kPa，采用該陶瓷膜進行油水分離試驗（辛烷與水體積比30∶70），分離效率達96.0％。氟硅烷改性后的氧化鋁膜表面轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷H油性（辛烷接觸角為0°，水接觸角約為146°），辛烷通量高達12.7Lm-2s-1kPa-1，純水截止壓力為3.2kPa，采用改性后的膜進行油水分離試驗（辛烷與水體積比70∶30），分離效率達99.5％。由于制備的陶