论文部分内容阅读
陶瓷膜具有耐化学腐蚀，耐高温，孔径分布窄，选择性高等优点，在化学与石油工业、环境保护、食品工业、生物与发酵等领域具有广阔的应用前景。陶瓷膜常见形式有管式、片式，其低装填膜面积(＜250m2/m3)造成了设备投资过高。20世纪90年代以来陶瓷中空纤维膜受到人们高度关注，该类膜装填膜面积可达3000m2/m3，同时具有低的传质阻力。然而，陶瓷中空纤维的小尺寸也带来了机械强度的问题，造成膜脆性增加，容易发生断裂，难以在实际应用体系中推广应用。研制高机械强度的陶瓷中空纤维膜成为实现其大规模工业应用的关键。本课题以获得高机械强度陶瓷中空纤维膜为目标，从膜材料调变和结构优化入手，开展了YSZ中空纤维膜、Al2O3/YSZ复合中空纤维膜、四通道Al2O3中空纤维膜制备研究，并研究了陶瓷中空纤维膜的结构与性能间的关系研究。所制备的四通道Al2O3中空纤维实现了渗透通量与机械强度的双重提升，满足实际应用需要，推动陶瓷中空纤维膜的工业应用进程。具体研究内容包括如下几个方面: 在YSZ中空纤维膜的制备方面，系统考察了焙烧温度、空气间距、芯液流速对YSZ中空纤维膜的微结构与性能的影响。当焙烧温度为1550℃时，YSZ中空纤维膜的三点弯曲强度为134.9Mpa，孔隙率为30.0％，平均孔径约为0.86μm，纯水通量约为0.83m3/(m2.h)。当芯液流速为20ml/min时，YSZ中空纤维膜的三点弯曲强度为78.4Mpa，孔隙率为33.9％，平均孔径为1.12μm，纯水通量为2.16m3/(m2.h)。 在Al2O3/YSZ复合中空纤维膜的制备方面，系统考察了Al2O3掺杂量、焙烧温度对其微结构与性能的影响。通过Al2O3的掺杂消解YSZ中空纤维生坯在烧成过程中所形成的大孔缺陷、主晶界缺陷的影响，实现了孔径分布收窄、主晶界的修饰目的，提升Al2O3/YSZ复合中空纤维膜的机械强度。当焙烧温度为1550℃时，m(Al2O3)/m(Al2O3+8mol％YSZ)从0.1增加到0.4时，Al2O3/YSZ复合中空纤维膜孔隙率从38.4％减小到34.0％，三点弯曲强度从85.0 Mpa增加到120.9Mpa，平均孔径从1.58μm减小到0.80μm，纯水通量从2.03m3/(m2.h)减小到0.83m3/(m2.h)。 在四通道Al2O3中空纤维膜的制备方面，通过相转化一步成型协同喷丝头构型优化制备的四通道Al2O3中空纤维膜外径约为3mm，通道数为4，通道直径为约为1.1mm，壁厚约为0.1～0.2mm。制备的四通道Al2O3中空纤维通过内腔中的骨架结构以及壁厚的减薄，实现了机械强度、渗透通量的双重提升，增强了陶瓷中空纤维系统运行效率与稳定性。空气间距为0cm时，四通道Al2O3中空纤维膜的孔隙率为61.7％，断裂负荷为16.7N，孔径分布为0.40～0.50μm，3～4μm，纯水通量为6.20m3/(m2.h)。空气间距为10cm时，其孔隙率为55.5％，断裂负荷为15.8N，孔径分布为0.40～0.50μm，0.80～1.20μm，纯水通量为4.90m3/(m2.h)。因此，所制备的四通道Al2O3中空纤维膜既能维持较高的纯水通量，又具有较高的机械强度，在实际的分离过程中展示出良好的应用前景。