多孔金属—陶瓷复合膜制备技术研究

【摘要】： 膜分离设备中使用的膜按其材料可以分为有机膜和无机膜两大类,其中,无机膜又可分为陶瓷膜和金属膜两种。有机膜在使用过程中较易发生水解、不耐强酸强碱腐蚀、强度低、寿命短;陶瓷膜尽管具有比有机膜更高的强度,但是一般陶瓷基体的脆性较大,导致陶瓷膜在使用过程中容易发生突然破坏;金属膜具有耐强酸强碱腐蚀、强度高、使用寿命长等优点,正逐渐在一些高附加值的领域应用。但是,金属膜的制备技术仅被少数发达国家垄断。 本研究以多孔金属为基体,利用溶胶-凝胶法在其表面制备了四种单一型(TiO_2、SiO_2、ZrO_2、Al2O_3)和混合型、多层型金属-陶瓷复合膜。对陶瓷膜层制备过程中的关键技术,如溶胶-凝胶技术、多孔基体同膜层材料之间的匹配关系、干凝胶膜的热处理工艺、陶瓷膜的物相结构、制膜液的性质同膜层形貌之间的关系等进行了深入研究,得到了制备多孔金属-陶瓷复合膜的主要控制参数和影响规律。论文得到的主要结论和创新点如下: 1.通过对制备多孔金属-陶瓷复合膜的溶胶的制备技术研究,得到了各种溶胶的最佳制备工艺参数。 胶溶法TiO_2溶胶制备的最佳条件为:用HNO_3作为解胶剂,其添加量为Ti:H~+=1.2mol/mol,胶溶温度60℃,胶溶时间约3～4h;聚合法TiO_2溶胶制备时各试剂的配比为Ti(OBu)_4:H_2O:HCl:EtOH=1:2:0.32:30mol/mol;胶溶法SiO_2溶胶制备时各试剂的配比为TEOS:H_2O:EtOH:NH4OH=1:52.6:38.2:2.1mol/mol,胶溶温度50℃,胶溶时间12h;ZrO_2溶胶的制备为:在1体积0.5mol/L的ZrOCl_2·8H_2O溶液中加入0.5体积0.25mol/L的草酸,并于85℃水浴中水解30min;Al2O_3溶胶制备时各试剂的配比为Al(C_3H_7O)_3:H_2O:HNO_3=1:300:0.22mol/mol,85℃下回流胶溶12h。 2.以多孔钛、多孔镍和孔径大小不同的316L多孔不锈钢四种材料为基体,制备陶瓷膜层,并通过优选,结果表明只有孔径1μm的不锈钢基体表面能够制备连续的且具有一定颗粒结构的陶瓷膜层。 3.对四种单一型陶瓷膜层的制备工艺进行了研究,得到了其最佳制备工艺参数。以聚乙烯醇(polyvinyl alchol,PVA)为黏合剂、浓度为0.0036mol/L的TiO_2制膜液涂膜,干凝胶膜于850℃下烧结可以得到颗粒状金红石相TiO_2陶瓷膜层;以PVA为黏合剂、浓度为0.047mol/L的SiO_2制膜液涂膜,干凝胶膜于850℃下烧结,可以得到颗粒状斜方相SiO_2陶瓷膜层;以PVA为黏合剂、浓度为0.0054mol/L的ZrO_2制膜液涂膜,