微滤炭膜制备、改性及其油水分离性能研究

发布时间：2020-06-26 03:46

【摘要】：随着经济社会的飞速发展与工业现代化的不断进步,人们对石油及其产品消耗的依赖越来越高,带来了石油开采加工相关行业在规模上迅猛膨胀,并伴随大量工业含油废水的排放。含油废水的无序排放会给人们的生产生活和生态环境造成严重的危害。所以,含油废水的排放标准也变得也越来越严格。传统的油水分离方式已经不能满足要求,开发新型高效的油水分离处理技术迫在眉睫。膜分离法因性能稳定、操作简单、耗能低、无化学添加、截留效果高等优点而备受关注。膜材料是膜分离技术的核心,一直以来都是该领域的研究热点与难点。炭膜是近些年兴起并快速发展的新型膜材料,除了常规膜具有的优点外,更有较高的化学稳定性、热稳定性、机械强度和分离性能等优点,并在含油废水的处理领域已展现出诸多优势。但前期研究中也发现炭膜在使用过程中也存在易污染、寿命短等不足,在大规模工业化应用前亟待解决。本文以酚醛树脂为前驱体、羧甲基纤维素钠为粘结剂、硅藻土(DE)为掺杂剂,制得微滤炭膜,特别是通过酸/碱处理、表面涂层、后氧化处理等改性方法对炭膜结构进行调控,以改善其抗污染性能和分离性能。通过泡压法、煮沸法对炭膜的平均孔径和孔隙率进行了测试,另外还分别采用热重分析、红外光谱、X射线衍射和扫描电镜等方法对膜材料的热稳定性、表面官能团、微结构和微观形貌进行了表征。考察了酸/碱处理方式、酸/碱处理种类、酸/碱处理浓度、涂覆液种类、涂覆液浓度、后氧化温度、后氧化恒温时间等因素对炭膜油水分离性能的影响。此外,还尝试通过清洗的方法对炭膜再生,考察了再生剂种类、浓度对炭膜性能恢复效果的影响。结果显示:(1)以酸/碱处理的硅藻土作为掺杂剂,对前驱体膜的热稳定性具有显著影响。掺杂酸/碱处理DE或者直接用酸/碱对炭膜进行处理都能够有效地改善炭膜的平均孔径和孔隙率。其中,用10%NaOH处理DE所制得炭膜具有最小的平均孔径0.208μm和最高的孔隙率58.68%。此外,用10%NaOH直接处理的炭膜具有最大的渗透通量,达615.479Kg/m~2h;而蒸馏水直接浸泡处理的炭膜具有最大的截留率,达94.79%。(2)采用表面涂层方式改性炭膜时,涂层剂聚乙烯醇(PVA)比聚乙二醇(PEG)更易形成亲水性膜层,且随着聚乙烯醇浓度的增大,涂层变厚,并趋于更平滑致密。同时,炭膜的渗透通量呈下降,截留率呈增大的趋势。涂覆3%PVA溶液的炭膜具有最高的渗透通量,为939.474Kg/m~2h;而涂覆9%PVA溶液的炭膜具有最高的截留率,为58.47%。(3)对炭膜进行后氧化处理时,适当的后氧化温度和恒温时间可以提高炭膜的热稳定性,并有效改善炭膜的平均孔径和孔隙率,经120℃下恒温30min后氧化处理炭膜具有最小的平均孔径0.208μm,及最大的孔隙率58.51%。经80℃下恒温30min后氧化处理炭膜有最大的渗透通量,达363.158Kg/m~2h;而经160℃下恒温时间为30min后氧化处理炭膜具有最大的截留率,达97.57%。(4)综合以上三种改性方法,在各自的最优处理条件下,都能有效改善炭膜的分离效果。其中,采用聚乙烯醇涂层改性具有最高的渗透通量,而后氧化改性后截留效果最佳。
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ051.893;X703
【图文】：

酚醛树脂,化学结构

（1）酚醛树脂酚醛树脂由苯酚和甲醛在酸或碱性条件下发生缩聚与中和反应制成的，其结构式如图1.1所示。酚醛树脂含碳量高、热稳定性好，热解后的残炭率很高，同时价格便宜、种类齐全，因此酚醛树脂被广泛用于炭膜的前驱体[79]。Centeno等[80]以酚醛树脂为前驱体，在700°C下炭化得到炭膜，对气体有良好的选择性和渗透性，对O2/N2混合物的选择性为12，对CO2/CH4的选择性为150。张兵等[81]以ZSM-5为掺杂剂对酚醛树脂进行改性，经900°C热解制得炭膜，具有丰富且小的孔隙结构，对气体分离具有良好的效果。图 1.1 酚醛树脂的化学结构Fig. 1.1 Chemical structure of phenolic resin（2）聚酰亚胺及其衍生物聚酰亚胺主链上有酰亚胺环类聚合物

聚酰亚胺,化学结构

Fig. 1.1 Chemical structure of phenolic resin（2）聚酰亚胺及其衍生物聚酰亚胺主链上有酰亚胺环类聚合物，结构式如图1.2所示。这样的结构决定了其良好的热稳定性和化学稳定性及优异的机械强度，因此成为最有效的前驱体膜之一[82,83]。Sazal等[84]以BTDA-TDI/MDI聚酰亚胺为原料，在无机管状支撑体表面通过涂覆法制备了炭膜，随炭化温度升高，形成更丰富的多孔结构，增加了气体的渗透性；当炭化温度为800°C时，炭膜的分离性能最好，对CO2/CH4、CO2/N2和O2/N2的选择性分别为68.2±3.3、66.3±2.2和9.3±2.5。

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