多通道碳化硅多孔陶瓷非对称滤膜的制备和性能研究

发布时间：2017-09-25 16:03

  本文关键词：多通道碳化硅多孔陶瓷非对称滤膜的制备和性能研究

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【摘要】：膜分离技术已广泛应用于能源、环境保护、石油化工、食品等领域,而以具有高强度、耐高温、化学稳定性好、寿命长、易再生和分离效率高等优点的多孔陶瓷滤膜最为显著,其作为高效率错流过滤器的核心部件,在高温、耐蚀等苛刻环境下具有广阔的应用前景。进行陶瓷膜结构设计与优化是决定其应用的前提,关键是如何在高渗透通量和分离精度间获得良好的平衡。目前采用非对称的膜结构设计是一种有效的解决方法,非对称膜由支撑体、过渡层和微孔膜构成,高气孔率、大孔径的支撑体具有低的流体介质阻力,可满足高渗透性,并给予膜层高的机械支撑性;细颗粒构成的表面膜层孔径小、厚度小,具有较好的分离精度;支撑体和膜层的颗粒尺寸差异大,需采用过渡层结构加以调控。本文研究了多孔碳化硅陶瓷支撑体和膜层的制备方法、微观结构、几何尺寸、渗透性能、机械强度等,为多孔碳化硅陶瓷滤膜的开发应用提供理论指导和实验支持。首先研究了模压成型、低温烧结制备圆饼状多孔碳化硅陶瓷支撑体的方法,并以之为基础制备多通道的多孔碳化硅陶瓷支撑体。选用34μm的碳化硅颗粒,添加12%的低温烧结助剂和1.5%糊精溶液混合后,采用模压成型方法,调节成型压力和烧结温度等制备多孔碳化硅陶瓷。在850℃、870℃、900℃和950℃烧结制备多孔碳化硅陶瓷时,随着烧结温度的升高,气体渗透率由322.66 m3/m2·h·kPa增加到361.82 m3/m2·h·kPa,之后又降低至308.24 m3/m2·h·kPa,开口气孔率对气体渗透率的影响更显著。终端过滤结果表明随多孔碳化硅陶瓷滤片厚度由2.3 mm增加到7.5 mm过程中水的渗透通量呈线性下降;在厚度一定时,随着开气孔率的增加,水的渗透通量迅速提高;在50 MPa成型、870℃烧结时,制备出开气孔率38.4%,抗压强度83.2 MPa,气体渗透率为361.82m3/m2·h·kPa的多孔碳化硅陶瓷支撑体。其次,采用机械搅拌与水浴加热相结合的方式,加入分散剂、消泡剂等,配制稳定悬浮的碳化硅陶瓷浆料。羧甲基纤维素钠(CMC)溶液的粘度和CMC浓度呈指数形式增加,溶液静置至60 h过程中,粘度升高,随后不断降低;加入不同粒径碳化硅后,流体的粘度与固含量呈指数关系;固含量相同时,CMC含量越高,浆料悬浮稳定性越好;CMC相同时,随着固含量的增加,其悬浮稳定性提高。沉降实验表明0.5%CMC、55%固含量的预制浆料,静置2 h内悬浮稳定性为100%,5 h时悬浮稳定性为98%。最后,在最大孔径为65μm的Φ60 mm多孔碳化硅管外表面通过浸渍-提拉法制备滤膜。随着浆料粘度和固含量提高,提拉制备碳化硅膜层厚度增加;而提拉速率由1mm/min增加到1000 mm/min的过程中,碳化硅膜层的厚度降低。当膜层厚度由176μm增加到804μm的过程中,气体渗透率由302 m3/m2·h·kPa减小至235 m3/m2·h·kPa,厚度和气体渗透率呈线性关系。
【关键词】：碳化硅 陶瓷膜 浸渍提拉法 膜层控制 渗透率
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.893
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 课题背景及选题意义10-11
• 1.2 无机膜概述11-16
• 1.2.1 无机膜的发展历程12-13
• 1.2.2 无机膜的应用13
• 1.2.3 无机膜的分类13-15
• 1.2.4 无机膜的制备方法15-16
• 1.3 过滤分离的方式和机理16-19
• 1.3.1 过滤分类17-18
• 1.3.2 过滤机理18-19
• 1.3.3 反吹清灰原理19
• 1.4 本课题研究目的及研究内容19-21
• 1.4.1 研究目的19-20
• 1.4.2 研究内容20-21
• 第2章 多孔碳化硅陶瓷支撑体的制备与性能研究21-40
• 2.1 实验原料及实验仪器21-22
• 2.1.1 实验原料21
• 2.1.2 实验仪器21-22
• 2.2 制备及表征22-29
• 2.2.1 制备22-24
• 2.2.2 检测与表征24-29
• 2.3 结果与讨论29-38
• 2.3.1 烧结温度对多孔碳化硅陶瓷开口气孔率、体积密度的影响29-30
• 2.3.2 成型压力对多孔碳化硅陶瓷开口气孔率、体积密度的影响30-31
• 2.3.3 抗压强度31-34
• 2.3.4 气体渗透率和最大孔径34-35
• 2.3.5 多孔碳化硅陶瓷厚度对水渗透通量的影响35-37
• 2.3.6 水渗透性能测试试样的形貌37
• 2.3.7 多通道碳化硅陶瓷支撑体及其微观形貌37-38
• 2.4 本章小结38-40
• 第3章 碳化硅浆料的配制与性能研究40-49
• 3.1 实验原料及实验仪器40-41
• 3.1.1 实验原料40
• 3.1.2 实验仪器40-41
• 3.2 制备及表征41-43
• 3.2.1 理论依据41-42
• 3.2.2 稳定悬浮浆料的制备42-43
• 3.2.3 表征43
• 3.3 结果与讨论43-48
• 3.3.1 粘度值43-46
• 3.3.2 浆料的悬浮稳定性46-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第4章 碳化硅陶瓷膜气体渗透性能研究49-61
• 4.1 实验仪器49-50
• 4.2 制备及表征50-51
• 4.2.1 制备50
• 4.2.2 表征50-51
• 4.3 结果与讨论51-57
• 4.3.1 浆料粘度对碳化硅膜层厚度的影响51-53
• 4.3.2 浆料中固含量对膜层厚度的影响53-54
• 4.3.3 基体提拉速度对碳化硅膜层厚度的影响54-55
• 4.3.4 碳化硅膜层厚度对其气体渗透率的影响55-56
• 4.3.5 碳化硅膜层的物相分析和微观形貌56-57
• 4.4 浸渍提拉涂膜机理探索57-60
• 4.5 本章小结60-61
• 结论61-62
• 参考文献62-67
• 攻读学位期间取得的学术成果67-68
• 致谢68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

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本文编号：918256