水資源危機嚴重影響人們的生產(chǎn)生活,采用膜分離技術(shù)對水資源進行過濾處理是目前最高效的方法之一。本論文以水資源處理為目標,研究多種先進的造孔工藝、原位固化方式和成型技術(shù)的有機結(jié)合來根據(jù)應(yīng)用場合設(shè)計特定結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷微濾膜,包括前驅(qū)體轉(zhuǎn)化法結(jié)合液態(tài)造孔劑工藝,前驅(qū)體轉(zhuǎn)化結(jié)合油包水型乳狀液模板工藝,水包油型乳狀液模板法-水泥固化-流延成型工藝,發(fā)泡法-水泥固化/凝膠注模/溶膠凝膠-流延工藝以及相轉(zhuǎn)化流延工藝。探索各方法的工藝要點,優(yōu)化工藝流程,測試各種膜的物理性能,根據(jù)各工藝制備膜的結(jié)構(gòu)特點,將其應(yīng)用于不同水處理領(lǐng)域,重點應(yīng)用在膜蒸餾和油水分離領(lǐng)域。第一章以含油污水和淡水資源為例介紹了水資源處理的意義,并綜述了多孔陶瓷膜用于水處理的優(yōu)勢以及多種先進多孔陶瓷膜制備工藝。第二章介紹了本課題使用的原料和性能測試方法。第三章通過使用兩種低成本的陶瓷前驅(qū)體(含氫聚硅氧烷(PHMS)和四甲基-四乙烯基-環(huán)四硅氧烷(D4Vi))和一種穩(wěn)定的液態(tài)造孔劑(聚二甲基硅氧烷(PDMS))成功地實現(xiàn)了多孔SiOC陶瓷膜的制備。試樣的孔徑分布、氣孔率、體積密度、抗折強度、透氣和透水性能與前驅(qū)體中PDMS含量直接相關(guān)。平均孔徑為0.59 μm和0.95 μ m的膜試樣被分別成功應(yīng)用于水包油乳液過濾和膜蒸餾實驗。由于具有窄的孔徑分布,所獲的多孔SiOC陶瓷膜展現(xiàn)出高的滲透通量。第四章采用前驅(qū)體轉(zhuǎn)化結(jié)合油包水型乳狀液模板工藝制備多孔SiOC陶瓷膜。確定并優(yōu)化了固化和干燥制度,通過調(diào)整油水體積比(2:1～1:3),試樣的氣孔率從25.0%增至69.5%,抗折強度從58.5±3.1MPa降低到8.1±0.6 MPa。試樣內(nèi)部含有大量的孔徑約為30 μ m的大孔,大孔相互連通,連通孔的尺寸小于2 μ m。通過對固化環(huán)境的調(diào)控,在材料的表面形成了厚度約為20 μm,孔徑為0.35～0.43nm的致密分離層,實現(xiàn)一步制備具有非對稱結(jié)構(gòu)(支撐體和致密層相結(jié)合)的SiOC陶瓷膜。第五章采用水包油型乳狀液模板法-水泥固化-流延成型工藝制備多孔氧化鋁-六鋁酸鈣陶瓷膜。通過調(diào)整油水體積比(1:1～4:1),試樣的氣孔率由45.6%增至67.3%,抗折強度由64.3MPa降低到31.8MPa,平均孔徑由1.7 u m增至2.4μ m。此外,通過簡單地將水包油型乳狀液造孔技術(shù)與材料表面疏水改性技術(shù)相結(jié)合,成功地實現(xiàn)了自清潔輕質(zhì)混凝土的一步制備。通過調(diào)整油水比例,試樣氣孔率(56.3-77.4%)和密度(1.53-0.63g·cm-3)可精確調(diào)控。試樣具有超疏水性(水接觸角為166°)和出色的防污功能。試樣在多種惡劣環(huán)境下可保持穩(wěn)定的超疏水性,包括高溫熱處理,機械磨損和化學(xué)腐蝕。此外,試樣具有較高的聲音吸收系數(shù)和低的導(dǎo)熱系數(shù)。第六章采用發(fā)泡法結(jié)合流延工藝成功制備了多孔氧化鋁基陶瓷膜。采用水泥固化,凝膠注模和二氧化硅溶膠凝膠實現(xiàn)了氣泡原位固化。通過調(diào)節(jié)發(fā)泡劑的用量,制備出氣孔率在64.8%～80.5%范圍內(nèi)和抗折強度在39.6±0.9～2.1±1.OMPa范圍內(nèi)的試樣。該試樣適于用作污水處理用曝氣盤。采用凝膠注模固化工藝,可制備出高氣孔率(88.3%)和抗折強度為4.5±0.2 MPa的多孔氧化鋁陶瓷膜。相互連接的孔結(jié)構(gòu)和疏水特性為試樣提供了巨大的吸油能力。氣體和油的高滲透率為處理含油廢水提供了一個簡單方法,即通過吸油-吹出的方式實現(xiàn)污水處理和油的收集。第七章采用相轉(zhuǎn)化流延法制備多孔六鋁酸鈣陶瓷膜。試樣具有小的燒結(jié)線收縮,無形變,高氣孔率,低導(dǎo)熱率以及高透氣透水性能。利用PDMS成功實現(xiàn)了表面疏水改性。相比于相轉(zhuǎn)化制備多孔氧化鋁陶瓷膜,本課題制備的試樣在膜蒸餾實驗中展現(xiàn)出較高的膜通量。第八章采用乳狀液法制備SiOC微球并將其應(yīng)用于鋰離子電池負極材料。在表面活性劑的作用下,通過使用兩種低成本的陶瓷前驅(qū)體(PHMS和D4Vi)和穩(wěn)定的造孔劑(PDMS),成功地實現(xiàn)了 SiOC微球的簡單制備。SiOC微球的粒徑小(～35μm)和比表面積高(217 m2·g-1)。通過測試其電化學(xué)性能,SiOC負極由于其致密而堅硬的表面以及高度多孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而具有高容量和出色的長循環(huán)性能。第九章總結(jié)全文,并提出展望。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：X703;TM912;TQ051.893
【部分圖文】：

?第一章緒論???分離、氣浮癬膜分離法、油吸收法等。化學(xué)法包括化學(xué)破乳、化學(xué)氧化等方法。??下面將針對物理法進行重點描述。??（１）離心分離??離心分離是借助快速旋轉(zhuǎn)的離心場，將密度不同的水、油兩相分離開，密度??大的（水相）甩向外圈，密度小的（油相）在中心部位［６］。目前常用的是使用??水力旋流器進行離心分離。水力旋流器的分離原理如圖１．１所示，高速旋轉(zhuǎn)的含??油污水，油相會富集于旋流器的中心，水相則富集于側(cè)壁。離心分離的優(yōu)點是除??油效率高（通常＜４０?ｍｇ／Ｌ）且設(shè)備體積較小，缺點是容易造成油滴粒徑的減小從??而增大分離難度，設(shè)備運行的成本較高，該方法常用于處理少量水或占地面積較??小的地方。??污水?油芯?分離錐?尾管??圖１．１離心分離示意圖??（２）重力分離法??重力分離同樣是利用油相、水相之間密度的不同以及互不相溶性，通常使用??沉降池去除水中的浮油和分散油［３５］。在重力場作用下，油滴會上浮，上浮速度??Ｖ。（ｍ／ｓ）可通過式１．１得出：??Ｋ）?＝?＾ｄ〇（Ｐｗ?￣?Ｐ〇）９／ｕ?（１－１）??其中，ＰＱ＊ＰＷ分別為油相和水相的密度，單位為ｋｇ／ｍ３，?ｄＱ為油滴粒徑，??單位為Ｕｒｎ；?ｇ為重力加速度，值為９．８ｍ／ｓ２；?ｕ為水相的粘度，單位為Ｐａｉ。重??力分離法設(shè)備簡單、除油量大且效率穩(wěn)定，但出油率較差，難以達到排放標準，??可用來進行初步分離。??（３）氣浮選法??當氣體進入乳液時會產(chǎn)生大量的氣泡，氣泡會與乳化油滴結(jié)合成絮狀物質(zhì)，??在浮力的作用下，絮狀物漂浮于水面，從而實現(xiàn)油水分離Ｐ］。圖１．２為臥式氣浮??２??

?第一章緒論???機，該方法對于分離乳化油有較大優(yōu)勢，處理量大且分離效率高，但是設(shè)備需要??大的占地面積，且成本高。??／?＼??ｉｉ￡ｎｊ?＇?＇??＼?？?＾?Ｔ?仁??｜?ｉ壞夂??（Ｉ?；ｎ?ｌＭ?ｄ?ＸＪ?Ｑ??射流器?＾??圖１．２臥式氣浮機結(jié)構(gòu)圖??（４）膜分離法??膜分離技術(shù)近年來發(fā)展迅速，它通過膜內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)使油或水選擇性透過，??以壓力或者重力作驅(qū)動力，通過物理截留方式實現(xiàn)油水分離［８］。根據(jù)油滴的尺??寸選擇合適分離膜，一般選用孔徑為１０ｎｍ￣１００ｕｍ的微孔膜進行浮油和乳化油??的分離。特殊情況下，廢水中會含有更小的油滴，需要選用更小孔徑的膜。因此??過濾方式根據(jù)所選用膜孔徑的大小分為微濾（＞０．１?ｕｍ）、超濾（０．０１－０．１?ｐｍ）、??納濾（０．１－１?ｎｍ）以及反滲透（＜０．１ｎｍ）四種［９］。??（５）吸附法??吸附法一般是利用具有多孔結(jié)構(gòu)的材料作為吸附劑，這些吸附劑可以吸附漂??浮油和乳化油。該方法與膜分離方法一樣為廢水處理領(lǐng)域常用的方法。在運油船??在海上航行期間經(jīng)常發(fā)生漏油／溢油的現(xiàn)象，為了應(yīng)對該漏油／溢油事故的緊急情??況，目前的做法通常選擇燃燒法，圍欄阻隔，收集并海岸過濾，使用撇油器和使??用吸附材料等方法［１０］。由于吸附過程中吸附材料具有收集油的能力，因此，使??用吸附材料是目前主流解決方案［１１］。該方法對材料的要求較高，需要材料具??有高的吸收容量，且具有選擇性吸收水或油的能力。吸附材料種類繁多，包括多??孔有機和無機塊體、多孔粉體或顆粒、多孔凝膠、納米復(fù)合物等。既有柔性材料，??例如干凝膠、氣凝膠、纖維、無機海綿等，又包括剛性材料

?第一章緒論???用。近年來針對油的吸收與回收研宄愈加廣泛。科學(xué)家采用了多種收集油的方法，??包括擠壓［１２］、干燥［１３］、洗滌［１４］或蒸餾［１５］。因此，近年來追求高效吸油率的??基礎(chǔ)上，提高回收能力和回收循環(huán)穩(wěn)定性是研宄的又一熱點。然而，多次重復(fù)使??用后吸附材料的性能會顯著降低甚至失效，失效后的材料常常通過灼燒或埋于地??下的方法處理，容易造成環(huán)境的二次污染。因此，進一步開發(fā)性能優(yōu)異、低成本、??環(huán)境友好、高循環(huán)壽命的材料是吸附材料的發(fā)展趨勢。圖１．３中給出了采用膜分??離和吸附材料進行油水分離的幾個典型實例。［１６］??一幻??．??圖１．３典型的用于油水分離的膜及吸附材料??１．２．２膜蒸餾??雖然全球有７１％的面積被水覆蓋，但幾乎全為海水資源，可利用的淡水資源??只有０．３％。采用海水淡化技術(shù)可有效地解決這一問題，近年來，大量海水淡化??公司迅速興起。截至２０１７年，全球有一百多個囯家已展開海水淡化，其中以中??東地區(qū)為主要代表，其海水淡化能力占全球４９．１％，其次是北美（１６．２％）和南??美（１３．３％），海水淡化己滿足以色列、阿拉伯等國家近８０％以上的用水需求。??每天總計約有９０００萬立方米的水被淡化，可供超過２億人的用水。中國從１９５８??年開始采用海水淡化，經(jīng)歷六十多年的努力，我國的海水淡化技術(shù)己取得了較大??的進步，到２０１５年，產(chǎn)量可達１０２萬噸／天，且產(chǎn)量將逐年快速增長。［１７－１８］??海水淡化工藝分為熱脫鹽技術(shù)或膜脫鹽技術(shù)。熱脫鹽利用蒸發(fā)和冷凝來分離??４??
【參考文獻】

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本文編號：2868674