【摘要】：与聚合物膜相比,陶瓷膜因具有热稳定性好、化学稳定性好、环境友好、耐老化、使用寿命长、易于再生、生物稳定性好、机械强度高、结构可调等诸多优点,而成为膜科学领域的热点之一,并被广泛应用于能源工业、化学工程、生物工程、食品工业、医药行业、环境工程等领域。陶瓷中空纤维膜的薄壁结构、高得多的单位体积的有效面积、易于组装成膜组件等特征更是进一步提高了陶瓷膜的综合性能和应用前景。但由于陶瓷材料与生俱来的脆性使得传统的陶瓷膜,特别是中空纤维膜的制备工艺复杂、成本高、缺陷多、易于开裂等缺点,极大限制了陶瓷膜的研究和应用。第一章主要系统介绍了多孔陶瓷膜的特点和分类、制备工艺、应用等；以及陶瓷中空纤维膜的特点、制备、应用及其增强；金属有机骨架(Metal Organic Frameworks, MOFs)膜材料的特征、制备和应用等方面的研究现状。第二章主要通过相转换纺丝结合高温烧结工艺制备氧化铝陶瓷中空纤维膜,并对纺丝工艺中的相关参数对膜结构的影响进行了一定的研究,结果表明空气间隙的增加使得中空纤维膜的厚度下降,同时会对指状孔的长度和形状产生影响,纺丝浆料的组成和粘度对相转换过程的进行和膜的孔隙结构产生显著的影响。根据以上实验结果和后续实验的要求,我们选定了相转换法制备的中空纤维膜的实验条件,所制备的坯体在1480℃烧结时强度达到最大值,三点弯曲强度为130.5MPa,同时平均孔径为1.12μm,阿基米德法测定的气孔率达到38.5%,氮气通量和纯水通量分别达到1.28×10-6L/m2hbar和1.31×10-4L/m2hbar。第三章将相转换纺丝工艺中与内表面相接触的非溶剂相纯水替换为溶剂相石墨浆料,从而使浆料的固化由内、外表面双向同时相转换转变为外表面单向相转换固化。该法制备的陶瓷中空纤维膜为双层结构,外表面为相对致密的皮肤层,其余部分为指状孔层。由于指状孔层直接开口于内表面,降低了渗透物的流动阻力,使得陶瓷中空纤维膜相应的N2通量和纯水通量明显增加,分别达到11.69×105Lm-2h-1bar-1和8.01×103Lm-2h-1bar-1。第四章成功制备了不同含量的SiC纳米纤维增强的Al2O3陶瓷中空纤维。当坯体在空气中烧结时,由于SiC纳米纤维被氧化为SiO2颗粒,使得膜结构变得相对致密,力学强度有少许提高。而采用低温空气中煅烧和高温氮气保护烧结既可以除去聚合物相和添加剂,同时还能保护SiC不被氧化,实验结果表明少量的SiC(5 wt%)的加入可以使中空纤维的强度提高40%(从154MPa到218MPa)。在本实验中,加入5wt%的SiC纳米纤维和1450℃-1480℃烧结是比较合适的。扫描电镜结果表明SiC纳米纤维在Al2O3中空纤维中分布均匀,并在Al3O3颗粒间桥接良好,起到了明显的增强作用。与未添加SiC的氧化铝中空纤维相比,添加5wt%SiC纳米纤维的纯水通量也增大了2.3倍,这是因为后者具有更高的气孔率和更大的孔径。更高的烧结温度和更多的SiC纳米纤维含量不但不能进一步提高A12O。中空纤维的力学强度,反而会使相转换纺丝工艺难度加大。本工作表明：纳米纤维增强是一种提高陶瓷中空纤维膜的强度和膜渗透性能的有效手段,有利于其实际应用。第五章利用高浓度的沸石-咪唑酯类骨架材料(Zeolitic Imidazolate Framewords, ZIFs)合成液在清洁的氧化铝中空纤维表面成功合成了ZIF-8气体分离膜,XRD、SEM和TEM结果表明该ZIF-8分离膜中晶粒尺寸在3-4μm,晶粒发育良好,晶粒之间堆积紧密,相互连接成膜,膜的厚度在6μm,与陶瓷支撑体紧密连接。同时在该条件下合成的ZIF-8膜中存在大量微孔缺陷。这种带有缺陷的ZIF-8膜表现出较强的CO2吸附特性。原位合成的ZIF-8颗粒的气体吸附试验发现ZIF-8对CO2的有较强的吸附作用。实验也证明该条件下合成的ZIF-8分离膜,在室温稳定状态下测得H2/CO2, N2/CO2和CH4/CO2分离效率分别达到21.9,9.4和10.1。由于ZIF-8内部微孔和缺陷中吸附的CO2部分堵塞了气体的扩散通道,使得CO2的渗透通量在最初的12小时内由9.8×10-8下降到1.7×10-8 mol/s m2 Pa,下降幅度达到83%。在H2/CO2混合气体的分离实验中,虽然CO2的吸附也堵塞了H2的扩散通道,降低了混合气体的分离效率,但在室温稳定状态下,其分离效率仍然达到7.1,明显高于努森扩散的相应指数。本实验采用的高浓度合成液在支撑体表面直接合成ZIF-8薄膜膜,可以为今后研究ZIFs膜的合成条件、晶体结构、气体吸附以及气体分离性能等方面给出新的方向。第六章对本论文的工作进行一个简单的总结,并对后续的研究工作作了建议和展望。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.893
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 卢杰,王胜国;中空纤维膜分离的现状和进展[J];产业用纺织品;2001年12期
2 毕鸿章;中空纤维膜[J];高科技纤维与应用;2001年01期
3 张亨;中空纤维膜研究进展[J];化工新型材料;2003年04期
4 乔欣;崔淑玲;夏勇;;中空纤维膜的制备技术及其应用[J];济南纺织服装;2010年01期
5 陈雪英 ,王庆瑞;功能性中空纤维膜[J];现代化工;1985年04期
6 ;东洋纺的透析用中空纤维膜装置增强20%[J];高科技纤维与应用;1999年05期
7 杜启云,程博闻,崔永芳,刘恩华,李树锋,范云双;碳中空纤维膜的研究现状及发展趋势[J];天津纺织工学院学报;2000年02期
8 刘建文,湛含辉,单忠键;迪恩涡编织型中空纤维膜分离黏土悬浮液研究[J];中国矿业大学学报;2004年03期
9 Thomas Mueller ,李晔;满足成本效率的医用中空纤维膜的生产[J];合成纤维;2005年10期
10 郭建辉;;“高性能中空纤维膜制备及其应用技术研究”项目通过鉴定[J];天津工业大学学报;2008年02期
相关会议论文 前10条
1 杨晓天;魏永明;许振良;;中空纤维膜制备过程理论计算的研究[A];第一届全国化学工程与生物化工年会论文摘要集(上)[C];2004年
2 朱利平;朱宝库;徐又一;;耐高温聚芳醚砜酮中空纤维膜的制备与性能[A];第二届中国膜科学与技术报告会论文集[C];2005年
3 丁晓莉;曹义鸣;张玉忠;;双层非对称中空纤维膜界面结构控制[A];第四届中国膜科学与技术报告会论文集[C];2010年
4 郭玉海;张华鹏;;聚四氟乙烯中空纤维膜的制备及其性能[A];第四届中国膜科学与技术报告会论文集[C];2010年
5 肖长发;;高性能聚合物中空纤维膜研究进展[A];2013年全国高分子学术论文报告会论文摘要集——主题K：先进纤维[C];2013年
6 刘捷;武春瑞;吕晓龙;;异形聚偏氟乙烯中空纤维膜的研制[A];天津市生物医学工程学会第三十一届学术年会论文集[C];2011年
7 许振良;忠琪丰;马晓华;王明;;不锈钢中空纤维膜制备及其应用[A];第四届全国膜分离技术在冶金工业中应用研讨会论文集[C];2014年
8 刘美甜;胡晓宇;肖长发;;拉伸对聚氨酯系中空纤维膜性能的影响[A];第四届中国膜科学与技术报告会论文集[C];2010年
9 李凭力;侯文贵;王世昌;;聚丙烯中空纤维膜萃取过程传质特性研究[A];第三届全国传质与分离工程学术会议论文集[C];2002年
10 韩s，
本文编号：2291015
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/2291015.html
