凹土基中空纤维膜的相转化制备

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中空纤维膜由于装填面积大、制备工艺简单、自支撑非对称结构以及灵活性好而备受关注。自Loeb和Souririjan首次利用相转化法制备出结构稳定的有机中空纤维膜以来,各种各样的有机材料被开发用来制备中空纤维膜。然而有机聚合物的热力学不稳定和易被污染使得膜的性能难以充分发挥。近年来,无机中空纤维膜逐渐被人们关注,如Al2O3、ZrO2、SiO2中空纤维陶瓷膜等,但其高成本限制了其推广和应用。纳米凹土纤维比表面积大、分散性能好,是无机中空纤维陶瓷膜的可选材料之一,同时其来源丰富、价格低廉,可以降低材料的成本。本文选择凹土作为制膜材料开展了如下三部分工作。  性能稳定、粘度适中的铸膜液是制备凹土基中空纤维微滤膜的基础。分别选用原凹土、纯凹土、纯凹土-TiO2复合材料为原料,采用物理搅拌分散纤维束,考察分散剂种类、分散剂用量、聚合物用量对铸膜液粘度、制得膜结构和性能的影响。结果表明:铸膜液中添加剂和聚合物的用量都会引起铸膜液粘度的变化,随着添加剂和聚合物用量的增加,铸膜液的粘度随之变大,以致影响相转化过程中铸膜液中有机物和凝固浴、内芯液中去离子水的交换速度;对于聚合物-凹土颗粒体系,聚合物用量过少,粘度太小不易成膜;用量过大,粘度太大不易挤出成膜,所以聚合物的用量控制在7.84%到12.96%之间;同时,随着粘度的增加(即添加剂和聚合物用量的增加),中空纤维膜的表面致密程度变大。  制备形貌和性能良好的凹土基中空纤维膜关键在于控制其操作条件。在相转化制膜的过程中,研究了空气间隙、芯液流速、驱动压力和外凝固浴的温度对膜孔径和水通量的影响,从而优化了凹土基中空纤维微滤膜的制备工艺参数。结果表明:空气间隙越长,有利于膜外表面中溶剂的挥发以及内表面中溶剂和非溶剂水之间的相互转化,最终使得孔径增加和纯水通量提高;内芯液流速对凹土基中空纤维膜的内壁结构以及膜的孔径有重要影响,内芯液流速越快,孔径和纯水通量随之降低;铸膜液的驱动压力影响铸膜液的流出速度,随着铸膜液驱动压力的增加,孔径均分布在0.38μm,纯水通量随之降低;凝固浴温度对凹土基中空纤维微滤膜的影响规律:随着凝固浴的升高,膜内外表面致密化,从而使得通量呈现下降的趋势。  烧结温度对膜本身和凹土的结构都有一定的影响。本章主要考察膜烧结阶段烧结温度对凹土基中空纤维微滤膜中凹土结构、膜孔径的影响。实验结果显示:随着烧结温度的升高,凹土纤维的特征吸收峰消失,出现较为明显的SiO2特征吸收峰;600℃烧结的膜表面可以清晰看到凹土棒晶以及棒晶堆积而成的孔道;800℃和900℃烧结的膜表面凹土棒晶与棒晶之间是粘连在一起的,棒晶有明显的收缩现象,同时棒晶堆积的孔道较600℃的少。烧结温度对凹土基中空纤维微滤膜孔径和机械强度方面有显著的影响,烧结温度在750℃~900℃,孔径均分布较宽,在0.56μm左右,温度升至1000℃时,孔径分布变窄,分布在10μm左右;与此同时,随着温度的升高,凹土基中空纤维微滤膜的机械强度有明显的改善。
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