【摘要】：隨著全球工業(yè)化的快速發(fā)展和人口的迅速膨脹,世界各國對淡水資源的需求日益增加,“向海洋要水”已經(jīng)成為全球的一個共識。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、耐高溫、抗微生物能力強、化學穩(wěn)定性好(耐酸堿腐蝕、有機溶劑等)、機械強度高等優(yōu)點,因此陶瓷膜在海水淡化領(lǐng)域中的應用,近些年來越來越受到人們的重視。目前對于陶瓷膜的研究,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雜,設備大,制備成本高,也限制了其廣泛應用。 本文是在濕法紡絲成型的基礎上,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。此工藝過程簡單,一步成型,簡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、強度高、滲透性能優(yōu)異。同時本文是首次將氮化硅和β-sialon中空纖維進行疏水性表面改性并應用于膜蒸餾實驗中,這部分工作為非氧化物陶瓷膜在膜蒸餾應用方面的后續(xù)研究奠定了基礎。 第一章主要介紹了陶瓷漿料的分散、流變學特性及影響漿料粘度和流動性的主要因素。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內(nèi)容。 第二章主要介紹了實驗原料、制備工藝、膜制備設備以及表征設備等。 第三章主要研究了分散劑種類、煅燒處理、分散劑含量、固含量以及球磨時間等對氮化硅陶瓷漿料的影響。通過沉降實驗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、提高流動性。漿料的流變特性測試結(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具有最佳的流動性,通過優(yōu)化的漿料固含量可以達到50vo1.%,并且漿料仍保持低粘度和好的流動性。 第四章是在氮化硅陶瓷漿料穩(wěn)定分散的基礎上,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、漿料的粘度等對氮化硅陶瓷中空纖維膜的形貌、強度、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。當陶瓷粉體與粘結(jié)劑的比值為1/7時,纖維具有優(yōu)異的氣體和水滲透性能、彎曲強度高(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用。采用氟硅烷對纖維表面進行改性,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到了碳和氟的存在。滲透測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重影響氣體滲透,而氟硅烷改性對水滲透有很大的影響,改性后直到氣體壓力達到3.25bar時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)兩種方式對所制備的膜進行了MD脫鹽實驗。在VMD中,探討了溫度、鹽溶液濃度、真空度等因素對MD性能的影響。膜表現(xiàn)了優(yōu)異的MD性能,當鹽溶液濃度為4wt.%、溫度為80℃、滲透端真空度保持在0.02bar時,膜的滲透通量達到679L/m2·day,截留率達到99%以上,而且膜具有很好的長期穩(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,MD驅(qū)動力減小,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性能可以彌補這方面的不足。 第六章介紹了相轉(zhuǎn)化與燒結(jié)法對β-sialon中空纖維膜的制備以及膜蒸餾應用。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)異的滲透性能和機械強度,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。當鹽溶液濃度為4wt.%、熱料液溫度為80℃,滲透端溫度為20℃時,膜蒸餾通量達到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用中也有很大的潛力。 第七章對全文進行了簡要的總結(jié),提出了工作中的不足及對未來工作的展望。
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：P747.1;TB383.2

【參考文獻】

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1 陳祖熊;Sialon的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與應用[J];材料導報;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研究[J];材料工程;2003年01期

3 楊輝;張玲潔;郭國忠;楊理博;沈建超;吳夢怡;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];大學化學;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用研究進展[J];硅酸鹽通報;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;1999年03期

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

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

9 仝建峰,陳大明;pH值對凝膠注模氧化鋁陶瓷料漿性能的影響[J];航空材料學報;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研究與性能表征[D];中國科學技術(shù)大學;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];中國科學技術(shù)大學;2010年

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本文編號：2634048