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Al_2O_3中空纤维陶瓷膜的结构优化与性能研究

穆海波  
【摘要】:本论文应用相转化-烧结技术制备了Al2O3中空纤维陶瓷膜,系统研究了添加剂总类、添加剂用量、芯液组成、空气距和烧结温度等对中空纤维陶瓷膜结构与性能的影响。通过调控工艺参数优化中空纤维膜结构得到了两种特殊结构(内指状孔外海绵层结构和全指状孔贯通结构)的Al2O3中空纤维陶瓷膜。首先,考察了铸膜液组成中添加剂对于陶瓷膜性能的影响。发现按照质量比添加3%的乙二醇甲醚的陶瓷膜具有较为优越的性能,其抗折强度为90.8MPa,纯水通量为18.8m3 · m2 ·H-1· bar-1,分别是无添加剂陶瓷膜的1.5倍和2.62倍;而且这种陶瓷膜气体分离性能上也具有较大的优越性,在较低的气压(0.02MPa)时,对于H2/N2体系和H2/CO2体系的分离系数分别为2.84和2.71。其次,考察了制备参数如芯液组成、空气距和烧结温度对中空纤维膜的结构和性能的影响。实验确定:铸膜液组成为7.5%聚醚砜、29.8%NMP、59.7%氧化铝以及3%乙二醇甲醚,烧结温度为1500℃,芯液为纯水,空气距为5cm的条件下制备的中空纤维膜具有内侧指状孔外侧海绵孔的非对称结构;孔隙率为55%;其抗折强度为79.4 MPa,水通量为30.2m3·m-2·h-1·bar-1。铸膜液组成相同、烧结温度相同,芯液组成为10%水-90%NMP的混合溶液,空气距为0cm条件下制备的中空纤维膜具有全指状孔贯通结构;孔隙率为46%;其抗折强度为83.9MPa;水通量为23.5 m3·m-2·h-1·bar-1。


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