几种水处理用陶瓷膜的制备及应用探讨

【摘要】：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。