基于不锈钢粉末材料基膜与功能复合膜的制备及其应用研究

来源 :华东理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:panok123
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由于无机膜极高的热稳定性、耐腐蚀性和特别适合在高温和恶劣的工艺条件下使用的优点,近几十年中得到了广泛应用。与其他无机膜相比,不锈钢膜具有优异的机械耐久性、不受侵蚀性流体侵蚀、耐高温高压、易焊接密封和使用寿命长等诸多优越性能,但不锈钢基膜表面粗糙与孔径较大,是限制其发展的主要因素。本文以不锈钢粉末(SSP)为膜材料,通过非溶剂致相转化(NIPS)法结合程序升温高温烧结技术制备了单通道和三通道中空纤维不锈钢膜,采用浸渍提拉法制备了孔径分布小和表面光滑的超亲水中空纤维不锈钢微滤膜,以及在不锈钢基膜上通过二次生长法水热合成MFI型分子筛膜。本文主要工作结果如下:  首先,采用NIPS法结合程序升温高温烧结技术制备了单通道中空纤维膜,讨论了SSP的含量和聚丙烯腈(PAN)的含量对中空纤维膜的形貌、机械强度、孔隙率、密度、最大孔径和纯水通量的影响。结果表明:PAN含量的增加,增强了铸膜液的空间位阻效应,减少了粒子的团聚和沉降,提高了铸膜液体系的稳定性;同时提高了铸膜液的粘度,使溶剂和非溶剂交换速度以及高分子链的移动变慢,容易形成海绵状孔区域。SSP含量的增加可以使烧结后的不锈钢膜结构更加致密化;同时提高铸膜液的粘度,使相转化过程中溶剂和非溶剂交换速度以及高分子链的移动变慢,也容易形成海绵状孔区域。综合上述两组实验后可得,当PAN含量为3.2wt.%,SSP含量为80wt.%时,中空纤维不锈钢膜综合性能最佳,其纯水通量为11500L/(m2·h·bar),机械强度为115MPa,孔隙率为35%,最大孔径为3.5μm。  其次,通过三通道喷丝头制备了三通道中空纤维不锈钢膜,考察了烧结温度对三通道中空纤维不锈钢膜微观结构、断裂负荷、孔径分布和渗透通量(氮气通量和纯水通量)的影响,并将三通道中空纤维不锈钢膜应用于淀粉废水分离和耐腐蚀实验中。结果表明:随着烧结温度的升高,三通道不锈钢膜的断裂负荷先增加后减小,在1100℃时达到最大为18.2N,纯水通量和氮气通量均先增加后减小,1200℃时达到最大,分别为27.1m3/(m2·h·bar)和32.2×10-5mol/(m2·s·Pa)。烧结温度的提高使指状孔结构坍塌,金属晶体表面出现针状小孔,当温度升高到1300℃时金属晶体明显塌陷,晶体表面存在大量针状孔,导致不锈钢膜的性能急剧下降。烧结温度对不锈钢膜的孔径分布影响不大。耐腐蚀实验证明了不锈钢膜可以在较宽pH环境中使用。淀粉废水分离实验表明不锈钢基膜在悬浮物质分离领域具有很大的应用潜力,并且可以通过简单的清洗实现再生利用。  然后,采用简便的浸涂法制备了超亲水和水下超疏油中空纤维不锈钢微滤膜,证实了哌嗪添加剂对TiO2悬浮液成膜过程的积极作用,讨论了所制备的中空纤维不锈钢微滤膜的形貌、润湿性、晶型、孔径分布、机械强度和渗透通量,并将不锈钢微滤膜应用于抗污染领域。结果表明:添加了哌嗪(PIP)的悬浮液所制备的不锈钢微滤膜表面连续,平均孔径较小(d=244nm),机械强度也是不锈钢基膜的两倍之多。接触角测试和XRD图谱证明了不锈钢微滤膜表面的TiO2晶型为锐钛矿,并且具有超亲水和水下超疏油特性。抗污染测试结果表明,不锈钢微滤膜对水包油乳液具有较高的截留作用(截留率达99%)并且清洗后通量可以恢复到原先的90%;对海藻酸钠溶液具有很好的截留作用(截留率为90%)并且清洗后可以通量恢复到原先的90%;对于牛血清蛋白溶液在一定的运行时间内具有很好的截留作用(截留率为90%),但由于严重的浓差极化和对蛋白质分子的吸附,测试过程中通量衰减明显。  最后,采用二次生长水热合成法在大孔不锈钢基膜上合成了MFI分子筛膜,考察了合成液组成、合成温度和合成时间对MFI分子筛膜形貌和渗透汽化性能的影响,研究了进料温度和进料浓度对渗透汽化性能的影响。结果表明:结构导向剂(四丙基氢氧化铵)含量的提高会使晶体朝c取向发展,但过高的含量会导致硅源(正硅酸乙酯)含量不足,从而使分子筛膜产生缺陷。较高的温度下晶体趋向朝c取向生长,而较低的温度下晶体趋向于随机生长。高温下合成的分子筛膜其分离性能要优于低温下合成的分子筛膜,其在60℃下对5wt.%的乙醇水体系渗透汽化的分离因子和通量分别为65和1.68kg/(m2·h)。通过对比不同结构不锈钢膜负载的MFI分子筛膜的性能发现,在具有高孔隙率和大面积指状孔区域的载体上更容易制备高通量的分子筛膜。同时还考察了MFI分子筛膜对正丁醇体系的分离效果,发现在80℃下对1.5wt.%丁醇水体系具有很高的分离因子为207以及较为满意的通量为218g/(m2·h),因此MFI分子筛膜在脱丁醇体系中具有很大的应用潜力。
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