陶瓷中空纤维基膜的微结构调变及性能研究

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沸石分子筛膜是沸石分子筛在多孔基膜(支撑体或载体)上堆积而成的致密薄膜,因其孔径均一、耐高温、抗化学腐蚀等特点受到人们的普遍关注。用于沸石分子筛膜合成的多孔载体结构和性能对分子筛膜的分离性能和机械性能产生重要的影响。目前,多孔支撑材料的构型主要包括片式、单管或多通道,其装填密度相对较小,因而膜分离设备投资成本相对较高。多孔陶瓷中空纤维支撑体具有装填密度高、能够显著提高分子筛膜渗透通量等特点,近年来成为国内外研究学者关注的焦点。尽管陶瓷中空纤维基膜的制备已取得重要的进展,但用于分子筛膜制备的中空纤维载体的结构参数有待进一步优化,加强其微结构和性能之间的构效关系研究十分必要。本文在文献调研的基础上,开展了陶瓷中空纤维基膜的制备及其微结构调变的研究,通过制备参数的控制和材料组成的改变实现陶瓷中空纤维基膜的结构调变,期望制备出适合不同类型分子筛膜生长的载体,以推动分子筛膜工业化进程。具体研究内容包括:  ⑴采用相转化法制备了具有非对称结构的α-Al2O3中空纤维基膜,研究了纺丝条件对支撑体微结构性能的影响,并探讨了中空纤维微结构与性能之间的关系。结果表明:空气间距及凝固浴组成是影响中空纤维基膜微观形貌及性能的重要因素。随着空气间距的增加,靠近中空纤维内表面的指状孔结构呈现缓慢向外延伸的趋势,海绵层厚度越来越薄,其弯曲强度呈现先增大再减小的趋势;当采用水为内凝固浴,随着外凝固浴中乙醇含量的提高,所制备的中空纤维内层指状孔逐渐向外延伸且孔道变大,其弯曲强度呈现先增大再减小的变化趋势,而纯水通量及N2渗透性先减小再增大;当采用无水乙醇为内凝固浴,水为外凝固浴时所制备的α-Al2O3中空纤维基膜靠近内表面为海绵层,孔隙率达45%。0.1 MPa压力下,该膜N2渗透通量约为250 m3·m-2·h-1,纯水通量约为4.5 m3·m-2·h-1。  ⑵采用掺杂TiO2粉体的方式制备了Al2O3/TiO2复合中空纤维基膜,考察了粉体掺杂比例、焙烧条件等因素对基膜性能的影响。研究显示:通过掺杂TiO2粉体可以显著改善中空纤维基膜的表面光滑度并降低焙烧温度。当TiO2/Al2O3比为1/8,烧结温度为1450℃保温5h时,中空纤维基膜直径收缩率约为28.5%,长度收缩率约为27%;该膜弯曲强度为85MPa,N2渗透性为2.4×10-5 mol· s-1·m-2·Pa-1,孔隙率为37%,平均表面粗糙仅为0.752μm。所制备的中空纤维基膜不仅具有高的机械强度而且具有良好的渗透性能。  ⑶为进一步改善中空纤维基膜的结构及性能,论文采用相转化法制备出TiO2中空纤维基膜。系统考察了焙烧条件、原料配比、凝固浴以及粉体材料的亲疏水性对中空纤维基膜微结构和性能的影响。研究结果表明:TiO2/PESf原料比越大,纺丝液粘度越高,获得的中空纤维基膜渗透性越小,弯曲强度越大;而外凝固浴中乙醇含量越高,所制备的中空纤维基膜指状孔结构越明显,但弯曲强度越低;当TiO2/PESf原料比为6,焙烧条件为1125℃保温5h,以水为外凝固浴制备的TiO2中空纤维基膜具有良好的N2渗透性(1.1×10-5 mol·s-1·m-2·Pa-1)及弯曲强度(92.6 MPa),其表面平均粗糙度约为0.30μm。
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