【摘要】：隨著全球工業(yè)化的快速發(fā)展和人口的迅速膨脹,世界各國(guó)對(duì)淡水資源的需求日益增加,“向海洋要水”已經(jīng)成為全球的一個(gè)共識(shí)。而膜蒸餾海水淡化技術(shù)作為解決水資源緊缺的一種新興技術(shù),越來越受到人們的廣泛關(guān)注。目前,用于膜蒸餾海水淡化應(yīng)用的膜材料主要分為高分子聚合物膜和陶瓷膜。高分子聚合物膜的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性差,而且在海水中微生物等作用下易腐蝕、膜壽命短。與高分子膜相比,陶瓷膜具有壽命長(zhǎng)、耐高溫、抗微生物能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好(耐酸堿腐蝕、有機(jī)溶劑等)、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),因此陶瓷膜在海水淡化領(lǐng)域中的應(yīng)用,近些年來越來越受到人們的重視。目前對(duì)于陶瓷膜的研究,主要集中在氧化物,包括氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦、二氧化硅等等。為了保證膜在膜蒸餾應(yīng)用中具有高的滲透通量,膜必須具有高的孔隙率,但高孔隙率的氧化物陶瓷膜強(qiáng)度低,膜在組裝和封接的過程中易折斷,不易操作,而且傳統(tǒng)膜的制膜工藝比較復(fù)雜,設(shè)備大,制備成本高,也限制了其廣泛應(yīng)用。 本文是在濕法紡絲成型的基礎(chǔ)上,采用相轉(zhuǎn)化與燒結(jié)相結(jié)合的方法第一次成功地制備了氮化物陶瓷中空纖維膜。此工藝過程簡(jiǎn)單,一步成型,簡(jiǎn)化了多孔膜的制備工藝,降低了制備成本。制備的氮化硅和β-sialon陶瓷中空纖維膜孔隙率大、強(qiáng)度高、滲透性能優(yōu)異。同時(shí)本文是首次將氮化硅和β-sialon中空纖維進(jìn)行疏水性表面改性并應(yīng)用于膜蒸餾實(shí)驗(yàn)中,這部分工作為非氧化物陶瓷膜在膜蒸餾應(yīng)用方面的后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。 第一章主要介紹了陶瓷漿料的分散、流變學(xué)特性及影響漿料粘度和流動(dòng)性的主要因素。其次介紹了幾種制備多孔陶瓷的傳統(tǒng)方法以及相轉(zhuǎn)化法,重點(diǎn)介紹了膜蒸餾工藝的發(fā)展、現(xiàn)狀、原理、分類及所用的膜材料,最后提出了本文的主要思路和研究?jī)?nèi)容。 第二章主要介紹了實(shí)驗(yàn)原料、制備工藝、膜制備設(shè)備以及表征設(shè)備等。 第三章主要研究了分散劑種類、煅燒處理、分散劑含量、固含量以及球磨時(shí)間等對(duì)氮化硅陶瓷漿料的影響。通過沉降實(shí)驗(yàn)我們最終確定分散劑O-(2-氨丙基)-O’-(2-甲氧基乙基)聚丙二醇(AMPG)對(duì)氮化硅粉體的分散效果最好,而且600℃/6h煅燒處理能顯著增加粉體表面的氧含量,降低漿料的粘度、提高流動(dòng)性。漿料的流變特性測(cè)試結(jié)果表明：漿料的最佳分散劑含量為4wt.%,而且不隨固含量變化；漿料球磨16h具有最佳的流動(dòng)性,通過優(yōu)化的漿料固含量可以達(dá)到50vo1.%,并且漿料仍保持低粘度和好的流動(dòng)性。 第四章是在氮化硅陶瓷漿料穩(wěn)定分散的基礎(chǔ)上,通過相轉(zhuǎn)化與燒結(jié)相結(jié)合的方法制備了氮化硅中空纖維膜。探討了陶瓷粉體與粘結(jié)劑的比值、漿料的粘度等對(duì)氮化硅陶瓷中空纖維膜的形貌、強(qiáng)度、孔隙率、孔徑分布以及滲透性能的影響。制備的氮化硅膜管具有典型的非對(duì)稱結(jié)構(gòu),靠近內(nèi)外表面處為指狀孔層,中間層為海綿狀結(jié)構(gòu)。隨著陶瓷粉體與粘結(jié)劑比值的增大,漿料的粘度增加,陶瓷纖維外表面處的指狀孔逐漸減小,甚至完全消失,而燒結(jié)后的膜管外表面逐漸趨向致密化。當(dāng)陶瓷粉體與粘結(jié)劑的比值為1/7時(shí),纖維具有優(yōu)異的氣體和水滲透性能、彎曲強(qiáng)度高(290MPa)、孔隙率大(50%)和孔徑分布窄(平均孔徑：0.74μm)。此纖維是最適合膜蒸餾應(yīng)用的理想膜材料。 第五章研究了氮化硅陶瓷中空纖維膜的表面改性以及膜蒸餾應(yīng)用。采用氟硅烷對(duì)纖維表面進(jìn)行改性,改性后的膜管水接觸角從56°變?yōu)?36°,紅外光譜在膜表面上也探測(cè)到了碳和氟的存在。滲透測(cè)試表明膜表面額外的氟硅烷層增加了氣體滲透的阻力但并沒有嚴(yán)重影響氣體滲透,而氟硅烷改性對(duì)水滲透有很大的影響,改性后直到氣體壓力達(dá)到3.25bar時(shí)膜管才有少量的水透過。上述這些結(jié)果都充分的說明了膜管疏水性能的獲得。最后,我們采用真空膜蒸餾(VMD)和直接接觸式膜蒸餾(DCMD)兩種方式對(duì)所制備的膜進(jìn)行了MD脫鹽實(shí)驗(yàn)。在VMD中,探討了溫度、鹽溶液濃度、真空度等因素對(duì)MD性能的影響。膜表現(xiàn)了優(yōu)異的MD性能,當(dāng)鹽溶液濃度為4wt.%、溫度為80℃、滲透端真空度保持在0.02bar時(shí),膜的滲透通量達(dá)到679L/m2·day,截留率達(dá)到99%以上,而且膜具有很好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。而在DCMD中,膜的通量只有VMD的35%左右,這主要是由于DCMD存在溫度極化效應(yīng),MD驅(qū)動(dòng)力減小,而且膜兩端溫度不穩(wěn)定,難以控制。VMD雖然需要額外提供一定的能量,但是優(yōu)異的MD性能可以彌補(bǔ)這方面的不足。 第六章介紹了相轉(zhuǎn)化與燒結(jié)法對(duì)β-sialon中空纖維膜的制備以及膜蒸餾應(yīng)用。制備的纖維膜具有典型的結(jié)構(gòu)：靠近內(nèi)表面為指狀孔層,而外表面為海綿狀孔層。膜管具有優(yōu)異的滲透性能和機(jī)械強(qiáng)度,1600℃/2h燒結(jié)的Z=2的纖維符合膜蒸餾用膜的要求。經(jīng)氟硅烷表面改性后,膜管具有優(yōu)異的疏水性能,成功地應(yīng)用于直接接觸式膜蒸餾海水淡化中并取得了優(yōu)異的膜蒸餾性能。當(dāng)鹽溶液濃度為4wt.%、熱料液溫度為80℃,滲透端溫度為20℃時(shí),膜蒸餾通量達(dá)到10.76L/m2·h(258L/m2·day),截留率能維持在99.5%以上,因此β-sialon中空纖維膜在膜蒸餾海水淡化應(yīng)用中也有很大的潛力。 第七章對(duì)全文進(jìn)行了簡(jiǎn)要的總結(jié),提出了工作中的不足及對(duì)未來工作的展望。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：P747.1;TB383.2

【參考文獻(xiàn)】

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1 陳祖熊;Sialon的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與應(yīng)用[J];材料導(dǎo)報(bào);1993年01期

2 仝建峰,陳大明;堿性水基氧化鋁陶瓷料漿的流變學(xué)研究[J];材料工程;2003年01期

3 楊輝;張玲潔;郭國(guó)忠;楊理博;沈建超;吳夢(mèng)怡;林志建;;透明氧化鋁薄膜的疏水性能研究[J];稀有金屬材料與工程;2010年S2期

4 鄭忠;;膠體分散體系的空缺穩(wěn)定理論[J];大學(xué)化學(xué);1988年04期

5 王圣威;金宗哲;黃麗容;;多孔陶瓷材料的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展[J];硅酸鹽通報(bào);2006年04期

6 孫靜,高濂,郭景坤;濕法成型中穩(wěn)定漿料的制備[J];硅酸鹽通報(bào);1999年03期

7 仝建峰;陳大明;;影響氧化鋁水基料漿流變學(xué)特性的關(guān)鍵因素[J];硅酸鹽學(xué)報(bào);2007年10期

8 徐榮九,陳大明,周洋,李斌太;固相含量對(duì)Al_2O_3料漿及瓷體性能的影響[J];航空材料學(xué)報(bào);2000年03期

9 仝建峰,陳大明;pH值對(duì)凝膠注模氧化鋁陶瓷料漿性能的影響[J];航空材料學(xué)報(bào);2003年03期

10 姜濤,薛向欣,楊建東;Sialon 陶瓷材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)用[J];耐火材料;2001年04期

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1 劉曉光;氧化鋯基固體電解質(zhì)低成本制備及其性能研究[D];北京航空材料研究院;2004年

2 張小珍;新型中空纖維陶瓷膜的制備科學(xué)研究與性能表征[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

3 張尚權(quán);流延法制備固體氧化物燃料電池關(guān)鍵材料研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

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本文編號(hào)：2634048