膜蒸馏海水淡化和油水分离用疏水多孔陶瓷膜研究

【摘要】自问世以来,膜分离技术迅速发展,已经在石油化工、能源、食品和生物工程等领域得到广泛应用,成为当今最为重要的分离技术之一。随着膜分离技术的发展,对膜材料的通量、稳定性、分离效率的要求也日趋苛刻。本实验室的前期研究工作表明,陶瓷膜(Al2O3、YSZ等)具有优于高分子膜的化学、热稳定性以及与之可比的膜蒸馏海水淡化性能。本论文在此基础上,围绕陶瓷膜的制备、表面修饰、海水淡化和油水分离性能开展了一系列的研究工作。第一章为全文综述,首先介绍了多孔陶瓷膜的概念,包括膜结构、膜过程、膜制备和膜表征：接着概述了现有的海水淡化和油水分离的技术,评估了膜分离方法的研究现状；最后提出了本论文的研究思路和主要内容。第二章研究了多孔陶瓷膜的相转化成型和表面改性方法。采用相转化成型的陶瓷膜包含海绵层和指状孔层。海绵层含有亚微米孔,厚度较小,因此可以作为起分离作用的功能层,而指状孔层含有孔径为数十微米的直孔,沿膜厚方向排列,传质阻力小,同时其厚度较大,因此为分离功能层提供力学支撑。通过在陶瓷膜表面嫁接氟硅烷,使得膜表面的纯水接触角从46°增至135°。采用水热法在陶瓷膜表面生长了ZnO纳米柱,然后在其上嫁接氟硅烷,获得了接触角大于150°的超疏水表面。第三章研究了氟硅烷分子在陶瓷表面的结合方式以及膜表面疏水层的稳定性。采用热重和红外光谱分析证实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着在陶瓷表面,采用高分辨率X光电子能谱分析揭示部分氟硅烷分子为化学吸附,即通过Si-O-M化学键嫁接到陶瓷表面。实验表明：膜表面的氟硅烷疏水层在空气中能长时间保持稳定,在水和乙醇中则会缓慢流失。热分析表明：疏水陶瓷膜的工作温度应低于200℃,温度过高将导致氟硅烷修饰层破坏。第四章研究了基于平板状疏水陶瓷膜的膜蒸馏盐水淡化过程。采用相转化流延-高温烧结-表面嫁接氟硅烷制备多孔氧化铝膜,其透气性能优异,氮气渗透率高达1.0×106Lm-2hbar-1。由于陶瓷膜表面呈疏水性,允许水蒸气通过,而液态水及其所含的非挥发性物质无法透过,因此可以用于膜蒸馏盐水淡化。采用陶瓷膜进行膜蒸馏盐水淡化实验,将膜的一侧与浓度为2wt.%的NaCl热溶液(80℃)接触,另一侧与冷凝水(20℃)直接接触,测得水渗透通量为19.1Lm-2h-1,盐的截留率大于99.5%。疏水性陶瓷膜显示出良好的盐水淡化性能,与高分子膜可比,并且其稳定性优于后者。第五章受自然界中存在的“荷叶效应”(抗污染、自清洁)启发,提出通过在陶瓷膜表面构建超疏水层,以增强盐水淡化用陶瓷膜的抗污染性能。采用第二章所述方法制备了超疏水氧化铝中空纤维膜,采用该陶瓷膜进行膜蒸馏盐水淡化实验,发现其水通量和截盐率随时间降低的幅度显著低于常规疏水膜,证实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离性能。采用相转化成型方法制备了多孔氧化铝平板膜,包含上下贯通的指状孔,孔道直径沿厚度方向呈梯度变化,上表面孔径约15～301μm,下表面约80～100μm。由于该陶瓷膜为亲水疏油性(水接触角为0°,水下油接触角约130°),纯水能够顺利透过,通量高达12.6Lm-2s-1kPa-1,油性物质无法渗透,辛烷截止压力为1.1kPa,采用该陶瓷膜进行油水分离试验(辛烷与水体积比30：70),分离效率达96.0%。氟硅烷改性后的氧化铝膜表面转变为疏水亲油性(辛烷接触角为0°,水接触角约为146°),辛烷通量高达12.7Lm-2s-1kPa-1,纯水截止压力为3.2kPa,采用改性后的膜进行油水分离试验(辛烷与水体积比70:30),分离效率达99.5%。由于制备的陶瓷膜具有很小的传质阻力,因此可利用料液自身的重量作为驱动力实现油水分离,能耗低,操作简单,可望大幅度降低油水分离的成本。第七章对本论文工作进行了总结,并提出了改进,对今后的研究工作进行了展望。
【作者】任春雷；
【导师】陈初升；
【作者基本信息】中国科学技术大学，材料学，2014，博士
【关键词】膜分离；氧化铝；多孔陶瓷膜；表面修饰；膜蒸馏海水淡化；油水分离；

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