几种水处理用陶瓷膜的制备及应用探讨

发布时间：2020-11-03 14:05

　　 水资源危机严重影响人们的生产生活,采用膜分离技术对水资源进行过滤处理是目前最高效的方法之一。本论文以水资源处理为目标,研究多种先进的造孔工艺、原位固化方式和成型技术的有机结合来根据应用场合设计特定结构的多孔陶瓷微滤膜,包括前驱体转化法结合液态造孔剂工艺,前驱体转化结合油包水型乳状液模板工艺,水包油型乳状液模板法-水泥固化-流延成型工艺,发泡法-水泥固化/凝胶注模/溶胶凝胶-流延工艺以及相转化流延工艺。探索各方法的工艺要点,优化工艺流程,测试各种膜的物理性能,根据各工艺制备膜的结构特点,将其应用于不同水处理领域,重点应用在膜蒸馏和油水分离领域。第一章以含油污水和淡水资源为例介绍了水资源处理的意义,并综述了多孔陶瓷膜用于水处理的优势以及多种先进多孔陶瓷膜制备工艺。第二章介绍了本课题使用的原料和性能测试方法。第三章通过使用两种低成本的陶瓷前驱体(含氢聚硅氧烷(PHMS)和四甲基-四乙烯基-环四硅氧烷(D4Vi))和一种稳定的液态造孔剂(聚二甲基硅氧烷(PDMS))成功地实现了多孔SiOC陶瓷膜的制备。试样的孔径分布、气孔率、体积密度、抗折强度、透气和透水性能与前驱体中PDMS含量直接相关。平均孔径为0.59 μm和0.95 μ m的膜试样被分别成功应用于水包油乳液过滤和膜蒸馏实验。由于具有窄的孔径分布,所获的多孔SiOC陶瓷膜展现出高的渗透通量。第四章采用前驱体转化结合油包水型乳状液模板工艺制备多孔SiOC陶瓷膜。确定并优化了固化和干燥制度,通过调整油水体积比(2:1～1:3),试样的气孔率从25.0%增至69.5%,抗折强度从58.5±3.1MPa降低到8.1±0.6 MPa。试样内部含有大量的孔径约为30 μ m的大孔,大孔相互连通,连通孔的尺寸小于2 μ m。通过对固化环境的调控,在材料的表面形成了厚度约为20 μm,孔径为0.35～0.43nm的致密分离层,实现一步制备具有非对称结构(支撑体和致密层相结合)的SiOC陶瓷膜。第五章采用水包油型乳状液模板法-水泥固化-流延成型工艺制备多孔氧化铝-六铝酸钙陶瓷膜。通过调整油水体积比(1:1～4:1),试样的气孔率由45.6%增至67.3%,抗折强度由64.3MPa降低到31.8MPa,平均孔径由1.7 u m增至2.4μ m。此外,通过简单地将水包油型乳状液造孔技术与材料表面疏水改性技术相结合,成功地实现了自清洁轻质混凝土的一步制备。通过调整油水比例,试样气孔率(56.3-77.4%)和密度(1.53-0.63g·cm-3)可精确调控。试样具有超疏水性(水接触角为166°)和出色的防污功能。试样在多种恶劣环境下可保持稳定的超疏水性,包括高温热处理,机械磨损和化学腐蚀。此外,试样具有较高的声音吸收系数和低的导热系数。第六章采用发泡法结合流延工艺成功制备了多孔氧化铝基陶瓷膜。采用水泥固化,凝胶注模和二氧化硅溶胶凝胶实现了气泡原位固化。通过调节发泡剂的用量,制备出气孔率在64.8%～80.5%范围内和抗折强度在39.6±0.9～2.1±1.OMPa范围内的试样。该试样适于用作污水处理用曝气盘。采用凝胶注模固化工艺,可制备出高气孔率(88.3%)和抗折强度为4.5±0.2 MPa的多孔氧化铝陶瓷膜。相互连接的孔结构和疏水特性为试样提供了巨大的吸油能力。气体和油的高渗透率为处理含油废水提供了一个简单方法,即通过吸油-吹出的方式实现污水处理和油的收集。第七章采用相转化流延法制备多孔六铝酸钙陶瓷膜。试样具有小的烧结线收缩,无形变,高气孔率,低导热率以及高透气透水性能。利用PDMS成功实现了表面疏水改性。相比于相转化制备多孔氧化铝陶瓷膜,本课题制备的试样在膜蒸馏实验中展现出较高的膜通量。第八章采用乳状液法制备SiOC微球并将其应用于锂离子电池负极材料。在表面活性剂的作用下,通过使用两种低成本的陶瓷前驱体(PHMS和D4Vi)和稳定的造孔剂(PDMS),成功地实现了 SiOC微球的简单制备。SiOC微球的粒径小(～35μm)和比表面积高(217 m2·g-1)。通过测试其电化学性能,SiOC负极由于其致密而坚硬的表面以及高度多孔的内部结构而具有高容量和出色的长循环性能。第九章总结全文,并提出展望。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：X703;TM912;TQ051.893
【部分图文】：

?第一章绪论???分离、气浮癣膜分离法、油吸收法等。化学法包括化学破乳、化学氧化等方法。??下面将针对物理法进行重点描述。??（１）离心分离??离心分离是借助快速旋转的离心场，将密度不同的水、油两相分离开，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??水力旋流器进行离心分离。水力旋流器的分离原理如图１．１所示，高速旋转的含??油污水，油相会富集于旋流器的中心，水相则富集于侧壁。离心分离的优点是除??油效率高（通常＜４０?ｍｇ／Ｌ）且设备体积较小，缺点是容易造成油滴粒径的减小从??而增大分离难度，设备运行的成本较高，该方法常用于处理少量水或占地面积较??小的地方。??污水?油芯?分离锥?尾管??图１．１离心分离示意图??（２）重力分离法??重力分离同样是利用油相、水相之间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］。在重力场作用下，油滴会上浮，上浮速度??Ｖ。（ｍ／ｓ）可通过式１．１得出：??Ｋ）?＝?＾ｄ〇（Ｐｗ?￣?Ｐ〇）９／ｕ?（１－１）??其中，ＰＱ＊ＰＷ分别为油相和水相的密度，单位为ｋｇ／ｍ３，?ｄＱ为油滴粒径，??单位为Ｕｒｎ；?ｇ为重力加速度，值为９．８ｍ／ｓ２；?ｕ为水相的粘度，单位为Ｐａｉ。重??力分离法设备简单、除油量大且效率稳定，但出油率较差，难以达到排放标准，??可用来进行初步分离。??（３）气浮选法??当气体进入乳液时会产生大量的气泡，气泡会与乳化油滴结合成絮状物质，??在浮力的作用下，絮状物漂浮于水面，从而实现油水分离Ｐ］。图１．２为卧式气浮??２??

?第一章绪论???机，该方法对于分离乳化油有较大优势，处理量大且分离效率高，但是设备需要??大的占地面积，且成本高。??／?＼??ｉｉ￡ｎｊ?＇?＇??＼?？?＾?Ｔ?仁??｜?ｉ坏夂??（Ｉ?；ｎ?ｌＭ?ｄ?ＸＪ?Ｑ??射流器?＾??图１．２卧式气浮机结构图??（４）膜分离法??膜分离技术近年来发展迅速，它通过膜内部的多孔结构使油或水选择性透过，??以压力或者重力作驱动力，通过物理截留方式实现油水分离［８］。根据油滴的尺??寸选择合适分离膜，一般选用孔径为１０ｎｍ￣１００ｕｍ的微孔膜进行浮油和乳化油??的分离。特殊情况下，废水中会含有更小的油滴，需要选用更小孔径的膜。因此??过滤方式根据所选用膜孔径的大小分为微滤（＞０．１?ｕｍ）、超滤（０．０１－０．１?ｐｍ）、??纳滤（０．１－１?ｎｍ）以及反渗透（＜０．１ｎｍ）四种［９］。??（５）吸附法??吸附法一般是利用具有多孔结构的材料作为吸附剂，这些吸附剂可以吸附漂??浮油和乳化油。该方法与膜分离方法一样为废水处理领域常用的方法。在运油船??在海上航行期间经常发生漏油／溢油的现象，为了应对该漏油／溢油事故的紧急情??况，目前的做法通常选择燃烧法，围栏阻隔，收集并海岸过滤，使用撇油器和使??用吸附材料等方法［１０］。由于吸附过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决方案［１１］。该方法对材料的要求较高，需要材料具??有高的吸收容量，且具有选择性吸收水或油的能力。吸附材料种类繁多，包括多??孔有机和无机块体、多孔粉体或颗粒、多孔凝胶、纳米复合物等。既有柔性材料，??例如干凝胶、气凝胶、纤维、无机海绵等，又包括刚性材料

?第一章绪论???用。近年来针对油的吸收与回收研宄愈加广泛。科学家采用了多种收集油的方法，??包括挤压［１２］、干燥［１３］、洗涤［１４］或蒸馏［１５］。因此，近年来追求高效吸油率的??基础上，提高回收能力和回收循环稳定性是研宄的又一热点。然而，多次重复使??用后吸附材料的性能会显著降低甚至失效，失效后的材料常常通过灼烧或埋于地??下的方法处理，容易造成环境的二次污染。因此，进一步开发性能优异、低成本、??环境友好、高循环寿命的材料是吸附材料的发展趋势。图１．３中给出了采用膜分??离和吸附材料进行油水分离的几个典型实例。［１６］??一幻??．??图１．３典型的用于油水分离的膜及吸附材料??１．２．２膜蒸馏??虽然全球有７１％的面积被水覆盖，但几乎全为海水资源，可利用的淡水资源??只有０．３％。采用海水淡化技术可有效地解决这一问题，近年来，大量海水淡化??公司迅速兴起。截至２０１７年，全球有一百多个囯家已展开海水淡化，其中以中??东地区为主要代表，其海水淡化能力占全球４９．１％，其次是北美（１６．２％）和南??美（１３．３％），海水淡化己满足以色列、阿拉伯等国家近８０％以上的用水需求。??每天总计约有９０００万立方米的水被淡化，可供超过２亿人的用水。中国从１９５８??年开始采用海水淡化，经历六十多年的努力，我国的海水淡化技术己取得了较大??的进步，到２０１５年，产量可达１０２万吨／天，且产量将逐年快速增长。［１７－１８］??海水淡化工艺分为热脱盐技术或膜脱盐技术。热脱盐利用蒸发和冷凝来分离??４??
【参考文献】

相关期刊论文 前8条

1 苏冬;安海娇;刘湘;梁田;李亚利;;液态聚硅氧烷交联-成型-热解制备复杂形状硅氧碳陶瓷[J];硅酸盐学报;2012年07期

2 徐艳宏;于春海;;含油污水的处理方法概述[J];科技创业家;2012年13期

3 张丹;王世敏;董兵海;郑宏勤;;硅溶胶稳定性影响因素的研究进展[J];胶体与聚合物;2011年02期

4 桑义敏;张广远;陈家庆;李发生;谷庆宝;胡华龙;;膜法处理含油废水研究进展[J];化工环保;2006年02期

5 蔺爱国;刘培勇;刘刚;张国忠;;膜分离技术在油田含油污水处理中的应用研究进展[J];工业水处理;2006年01期

6 杨金龙,马利国,马天,黄勇;陶瓷胶态注射成型液固转变过程中内应力产生机制初探[J];真空电子技术;2003年04期

7 张宇民,刘殿魁,韩杰才,赫晓东;多孔陶瓷材料制备工艺研究进展[J];兵器材料科学与工程;2002年02期

8 宋振东;水力旋流器用于含油废水处理[J];中国有色金属学报;1999年03期

相关博士学位论文 前1条

1 李林;氮化硅基多孔陶瓷膜的制备及膜分离应用的研究[D];中国科学技术大学;2018年

本文编号：2868674