陶瓷中空纖維膜的制備、增強及應用研究.pdf

1、與聚合物膜相比，陶瓷膜因具有熱穩(wěn)定性好、化學穩(wěn)定性好、環(huán)境友好、耐老化、使用壽命長、易于再生、生物穩(wěn)定性好、機械強度高、結構可調等諸多優(yōu)點，而成為膜科學領域的熱點之一，并被廣泛應用于能源工業(yè)、化學工程、生物工程、食品工業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)、環(huán)境工程等領域。陶瓷中空纖維膜的薄壁結構、高得多的單位體積的有效面積、易于組裝成膜組件等特征更是迸一步提高了陶瓷膜的綜合性能和應用前景。但由于陶瓷材料與生俱來的脆性使得傳統(tǒng)的陶瓷膜，特別是中空纖維膜的制備工藝

2、復雜、成本高、缺陷多、易于開裂等缺點，極大限制了陶瓷膜的研究和應用。
　　第一章主要系統(tǒng)介紹了多孔陶瓷膜的特點和分類、制備工藝、應用等;以及陶瓷中空纖維膜的特點、制備、應用及其增強;金屬有機骨架(Metal OrganicFrameworks，MOFs)膜材料的特征、制備和應用等方面的研究現(xiàn)狀。
　　第二章主要通過相轉換紡絲結合高溫燒結工藝制備氧化鋁陶瓷中空纖維膜，并對紡絲工藝中的相關參數(shù)對膜結構的影響進行了一定的研究，結果

3、表明空氣間隙的增加使得中空纖維膜的厚度下降，同時會對指狀孔的長度和形狀產生影響，紡絲漿料的組成和粘度對相轉換過程的進行和膜的孔隙結構產生顯著的影響。根據(jù)以上實驗結果和后續(xù)實驗的要求，我們選定了相轉換法制備的中空纖維膜的實驗條件，所制備的坯體在1480℃燒結時強度達到最大值，三點彎曲強度為130.5MPa，同時平均孔徑為1.12μm，阿基米德法測定的氣孔率達到38.5％，氮氣通量和純水通量分別達到1.28×10-6L/m2hbar和1.3

4、1×10-4L/m2hbar。
　　第三章將相轉換紡絲工藝中與內表面相接觸的非溶劑相純水替換為溶劑相石墨漿料，從而使?jié){料的固化由內、外表面雙向同時相轉換轉變?yōu)橥獗砻鎲蜗蛳噢D換固化。該法制備的陶瓷中空纖維膜為雙層結構，外表面為相對致密的皮膚層，其余部分為指狀孔層。由于指狀孔層直接開口于內表面，降低了滲透物的流動阻力，使得陶瓷中空纖維膜相應的N2通量和純水通量明顯增加，分別達到11.69×105Lm-2h-1bar-1和8.01×10

5、3Lm-2h-1bar-1。
　　第四章成功制備了不同含量的SiC納米纖維增強的Al2O3陶瓷中空纖維。當坯體在空氣中燒結時，由于SiC納米纖維被氧化為SiO2顆粒，使得膜結構變得相對致密，力學強度有少許提高。而采用低溫空氣中煅燒和高溫氮氣保護燒結既可以除去聚合物相和添加劑，同時還能保護SiC不被氧化，實驗結果表明少量的SiC(5 wt％)的加入可以使中空纖維的強度提高40％（從154MPa到218MPa）。在本實驗中，加入5wt

6、％的SiC納米纖維和1450℃-1480℃燒結是比較合適的。掃描電鏡結果表明SiC納米纖維在Al2O3中空纖維中分布均勻，并在Al2O3顆粒間橋接良好，起到了明顯的增強作用。與未添加SiC的氧化鋁中空纖維相比，添加5wt％SiC納米纖維的純水通量也增大了2.3倍，這是因為后者具有更高的氣孔率和更大的孔徑。更高的燒結溫度和更多的SiC納米纖維含量不但不能進一步提高Al2O3中空纖維的力學強度，反而會使相轉換紡絲工藝難度加大。本工作表明:納

7、米纖維增強是一種提高陶瓷中空纖維膜的強度和膜滲透性能的有效手段，有利于其實際應用。
　　第五章利用高濃度的沸石-咪唑酯類骨架材料(Zeolitic ImidazolateFramewords，ZIFs)合成液在清潔的氧化鋁中空纖維表面成功合成了ZIF-8氣體分離膜，XRD、SEM和TEM結果表明該ZIF-8分離膜中晶粒尺寸在3-4μm，晶粒發(fā)育良好，晶粒之間堆積緊密，相互連接成膜，膜的厚度在6μm，與陶瓷支撐體緊密連接。同時在該條

8、件下合成的ZIF-8膜中存在大量微孔缺陷。這種帶有缺陷的ZIF-8膜表現(xiàn)出較強的CO2吸附特性。原位合成的ZIF-8顆粒的氣體吸附試驗發(fā)現(xiàn)ZIF-8對CO2的有較強的吸附作用。實驗也證明該條件下合成的ZIF-8分離膜，在室溫穩(wěn)定狀態(tài)下測得H2/CO2，N2/CO2和CH4/CO2分離效率分別達到21.9，9.4和10.1。由于ZIF-8內部微孔和缺陷中吸附的CO2部分堵塞了氣體的擴散通道，使得CO2的滲透通量在最初的12小時內由9.8×

9、10-8下降到1.7×10-8 mol/s m2Pa，下降幅度達到83％。在H2/CO2混合氣體的分離實驗中，雖然CO2的吸附也堵塞了H2的擴散通道，降低了混合氣體的分離效率，但在室溫穩(wěn)定狀態(tài)下，其分離效率仍然達到7.1，明顯高于努森擴散的相應指數(shù)。本實驗采用的高濃度合成液在支撐體表面直接合成ZIF-8薄膜膜，可以為今后研究ZIFs膜的合成條件、晶體結構、氣體吸附以及氣體分離性能等方面給出新的方向。
　　第六章對本論文的工作進行一