低成本无机有机复合微滤膜的制备表征及应用

发布时间：2017-10-28 23:08

  本文关键词：低成本无机有机复合微滤膜的制备表征及应用

  更多相关文章： 低成本 陶瓷膜 无机有机复合膜 微滤 米糠发酵液

【摘要】：无机陶瓷微滤膜具有许多优点,如耐高压、耐腐蚀和耐用易清洗等。因此,在处理油水分离、过滤生物医药中的微生物、分离提纯食品发酵液中的有效成分等方面有着广泛的应用。但制备陶瓷微滤膜的方法是将无机纳米粉体层涂在无机陶瓷支撑体上,然后再将粉体层经过高温烧结,形成无机分离层。所用纳米粉体的颗粒尺寸分布均匀一致,价格不菲。此外,制备中的高温烧结过程导致陶瓷膜的成品率不高。这些都造成了无机陶瓷微滤膜制备的高成本,进而限制了陶瓷膜应用领域的拓展。有机聚合物膜虽然存在不耐溶剂、不耐高温和不耐高压等缺点,但具有制备简便、孔结构易调、选择性高和成本低等优点。因此,无机有机复合膜可以将无机陶瓷膜和有机聚合物膜各自的优点结合,在提高陶瓷微滤膜选择性能的同时,还可以降低微滤膜的制备成本。目前,国内外针对无机有机复合微滤膜的研究,主要是聚焦在陶瓷基聚合物复合膜。在众多的制备方法中,直接向支撑体上涂覆聚合物是较为简单的方法。但是,目前制备无机有机复合微滤膜所用的支撑体孔径较小,集中在0.5.1.2 μm之间, 即在陶瓷微滤膜的表面上涂敷聚合物膜液,这势必会增加复合膜的制备成本,不利于扩大无机有机复合微滤膜的工业化应用。因此,为了降低复合膜的制备成本,我们制备了一种管式陶瓷基-PEKC-CA复合膜。选用19通道的无机陶瓷管(孔径在5-20 μm之间)作为支撑体,以聚合物酚酞基聚醚酮(PEKC)作为中间层,以聚合物醋酸纤维素(CA)作为分离层,通过减压涂覆和干湿相转化的方法制备膜。陶瓷基-PEKC-CA复合膜的润湿性用接触角进行了表征,复合膜和支撑体的表面与截面结构用扫描电镜进行了表征。此外还对复合膜的通量和截留性能进行了表征。陶瓷基-PEKC-CA复合膜对聚氧乙烯(PEO,Mw=600,000)的截留率最高可达到45%,对聚氧乙烯(PEO,Mw=1,000,000)的截留率最高可达到55%。 最后复合膜用来处理米糠发酵液,得到了澄清透明的渗透液,且发酵液多糖含量的损失仅为0.2%。这种方法简化了复合膜的制备过程,降低了复合膜的制备成本,但是其通量与商业化的无机陶瓷膜相比,相距甚远。为了进一步提高复合膜的通量,我们制备了管式陶瓷基-PVDF/CA复合微滤膜。以19通道的无机陶瓷管(孔径在5-20 μm之间)作为支撑体,以PVDF/CA的共混物作为分离层,通过加压涂覆和干湿相转化的方法制备膜。PVDF/CA膜液的浓度是影响复合膜性能的决定性因素,且膜液的浓度越高,复合膜的截留性能越好。为了研究制备条件和膜性能的联系,我们用旋转粘度计测定了膜液的粘度,用扫描电镜观察了复合膜的表面和截面形态。此外,还对膜的渗透性和截留率性能进行了表征。结果显示：当PVDF/CA膜液的浓度从8wt%增加到18wt%,其纯水通量从200增加到2000 L/m2-h；复合膜对聚氧乙烯(PEO,Mw=1,000,000)的截留率比商业化50 nm的无机陶瓷膜的要高；处理米糠发酵液时,其浊度去除率可达到99%。 更为重要的是复合膜在经过简单的物理清洗后,其通量恢复率可达到80%左右。为了证明管式陶瓷基-PVDF/CA复合微滤膜的成本低,我们对其进行了经济评估。通过核算：一支24 cm的复合膜,其制备成本约为9.705；一支24 cm的50 nm无机陶瓷膜,其成本约为24.12$。由此可知,商业化的无机陶瓷微滤膜的成本几乎是复合膜制备成本的2.5倍。因此,鉴于复合膜简单快捷的制备方法以及较低的成本,和商业化的无机陶瓷膜相比,复合膜在微滤膜的应用中表现出了显著的优势。但是,24 cm复合膜的处理量远远满足不了工业化实际生产应用的需求,故更大处理量的复合膜亟待研究开发。我们在陶瓷基-PVDF/CA复合微滤膜研究的基础上,选用1016 cm的陶瓷管作为支撑体,12wt%的PVDF和CA的共混膜液作为有机分离层,利用改进的涂覆装置和加压涂覆的方法制备工业化的复合膜。得到的复合膜用来处理米糠发酵液,过滤得到的渗透液的浊度显著降低,去除率达到98.9%,而且发酵液的多糖含量没有损失。因此,对于1016 cm的复合膜CS-PC12而言,其通量和截留性能均可以满足工业化生产的需要,而且其制备过程简单快捷,制备成本较低。
【关键词】：低成本 陶瓷膜 无机有机复合膜 微滤 米糠发酵液
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.893
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 引言12
• 1.2 微滤膜分离过程简介12-13
• 1.3 微滤膜结构与传质机理13
• 1.3.1 微滤膜的结构13
• 1.3.2 微滤膜的传质机理13
• 1.4 微滤分离膜的研究现状与发展趋势13-17
• 1.4.1 微滤分离膜分类13-14
• 1.4.2 微滤分离膜的制备14-15
• 1.4.3 微滤分离膜的应用现状15-17
• 1.5 无机有机复合膜的研究现状与发展趋势17-19
• 1.6 本文的研究思路以主要内容19-22
• 第2章 陶瓷基-PEKC-CA复合微滤膜的制备表征及应用22-34
• 2.1 引言22
• 2.2 实验部分22-25
• 2.2.1 实验材料与装置22-24
• 2.2.2 陶瓷基-PEKC-CA复合膜的制备24-25
• 2.3 陶瓷基-PEKC-CA复合膜的表征25-29
• 2.3.1 复合膜接触角25
• 2.3.2 复合膜形态25-27
• 2.3.3 复合膜渗透性和截留率27-29
• 2.4 陶瓷基-PEKC-CA复合膜的应用29-32
• 2.4.1 复合膜截留性能29-31
• 2.4.2 复合膜抗污染性能31-32
• 2.5 结论32-34
• 第3章 陶瓷基-PVDF/CA复合微滤膜制备表征及应用34-46
• 3.1 引言34
• 3.2 实验部分34-36
• 3.2.1 实验材料与装置34-35
• 3.2.2 陶瓷基-PVDF/CA复合膜的制备35-36
• 3.3 陶瓷基-PVDF/CA复合膜的表征36-41
• 3.3.1 复合膜膜液粘度36
• 3.3.2 复合膜形态36-38
• 3.3.3 复合膜孔隙率和平均孔径38-39
• 3.3.4 陶瓷基-PVDF/CA渗透性和截留率39-41
• 3.4 陶瓷基-PVDF/CA复合膜的应用41-44
• 3.4.1 复合膜截留性能41-43
• 3.4.2 复合膜抗污染性能43-44
• 3.5 陶瓷基-PVDF/CA复合膜的成本核算44
• 3.6 结论44-46
• 第4章 陶瓷基-PVDF/CA复合膜的放大46-52
• 4.1 引言46
• 4.2 陶瓷基-PVDF/CA工业化复合膜的制备46-49
• 4.2.1 实验材料与装置46-48
• 4.2.2 陶瓷基-PVDF/CA复合膜的制备48-49
• 4.3 陶瓷基-PVDF/CA工业化复合膜的性能49-51
• 4.4 结论51-52
• 第5章 结论与展望52-56
• 参考文献56-62
• 致谢62-64
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果64

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本文编号：1110336