陶瓷纳滤膜的耐酸碱性能研究

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陶瓷纳滤膜具有良好的化学稳定性、热稳定性和耐溶剂性等优点,是陶瓷膜领域研究的热点之一。由于陶瓷纳滤膜制备过程复杂,制备条件苛刻,增加了制备完整无缺陷陶瓷纳滤膜的难度,导致国际上商品化的产品较少,而国内仍处于研发阶段。本文采用溶胶-凝胶法制备出陶瓷纳滤膜,考察其耐酸碱性能,为陶瓷纳滤膜在酸碱体系中的应用提供基础数据。  首先,以平均孔径为5-6 nm的片式γ-Al2O3中孔膜为载体,通过浸浆法将TiO2、ZrO2及Ti/Zr复合溶胶在载体上涂覆一次后,经350℃和400℃烧成后制备出TiO2、ZrO2及Ti/Zr复合纳滤膜。采用静态腐蚀方法,详细考察了TiO2、ZrO2、Ti/Zr复合粉体及TiO2、ZrO2、Ti/Zr复合纳滤膜的耐酸碱腐蚀性能。结果表明:经350℃和400℃焙烧的TiO2、ZrO2及Ti/Zr复合粉体均能够在溶液pH=1-14范围内稳定;经350℃烧成的TiO2、ZrO2及Ti/Zr复合纳滤膜能够在溶液pH=3-11的范围内稳定;经400℃烧成的TiO2、ZrO2及Ti/Zr复合纳滤膜能够在溶液pH=2-11的范围内稳定;烧成温度升高,TiO2、ZrO2及Ti/Zr复合的结晶度提高,形成更稳定的结构,且随着烧成温度的提高,膜层之间的结合力增强,提高了陶瓷纳滤膜的耐酸碱腐蚀性能。  其次,以管式γ-Al2O3中孔膜为载体,通过浸渍-提拉法制备出TiO2、ZrO2及Ti/Zr复合纳滤膜。采用动态腐蚀方法,详细考察了TiO2、 ZrO2及Ti/Zr复合纳滤膜的耐酸碱腐蚀性能。结果表明,TiO2、 ZrO2及Ti/Zr复合纳滤膜均能够在溶液pH=2-12的范围内保持稳定;在pH=2的HNO3溶液中,ZrO2纳滤膜的耐酸性能优于TiO2和Ti/Zr复合纳滤膜,在pH=12的NaOH溶液中,TiO2和Ti/Zr复合纳滤膜的耐碱性能优于ZrO2纳滤膜;腐蚀前后纳滤膜的EDX和FESEM表征结果表明,纳滤膜经强酸、碱溶液腐蚀后,其性能显著下降,这是由于γ-Al2O3过渡结构不稳定导致的。  最后,Ti/Zr复合材料是一种新型的陶瓷纳滤膜材料,具有晶型转变温度高、高温下仍保持微孔结构等优点,但其耐酸碱性能有待于详细考察。本文在前期研究的基础上,详细考察了合成线路对Ti/Zr复合纳滤膜膜性能的影响,并考察了不同比例Ti/Zr复合粉体的耐酸碱性能。结果表明,相比于前期的研究结果(线路1),本工作(线路2)制备的Ti/Zr复合粉体具有较高的微孔占总孔比例及比表面积。采用线路2成功制备出截留分子量为537 Da的Ti/Zr复合纳滤膜,其对MgCl2和CaCl2的截留率分别高达94.2%、80.6%。Ti/Zr复合纳滤膜(线路2)的性能好于前期研究成果。Ti/Zr复合粉体(Ti∶Zr=1∶4、1∶2、1∶1)均能够在溶液pH=1-14的范围内保持稳定,且随着粉体中Zr含量越高,其耐酸碱性能越好。
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