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改性陶瓷膜在真空膜蒸馏中的应用

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摘要

符号说明

第一章 文献综述

1.1 膜蒸馏技术简介

1.1.1 膜蒸馏技术的概念

1.1.2 膜蒸馏发展历程

1.1.3 膜蒸馏的分类

1.1.4 膜蒸馏的应用

1.1.5 膜蒸馏材料

1.2 无机陶瓷膜的改性

1.2.1 表面接枝聚合法

1.2.2 溶胶-凝胶法

1.2.3 化学气相沉积法

1.2.4 共混改性法

1.3 本课题的研究意义和内容

1.3.1 本课题的研究意义

1.3.2 本课题的主要研究内容

第二章 氧化铝陶瓷膜的疏水改性

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂

2.2.2 实验仪器

2.2.3 实验方法

2.3 Al2O3陶瓷膜的疏水改性

2.3.1 浸泡法改性

2.3.2 喷涂法改性

2.3.3 浸泡法与喷涂法的对比

2.4 膜性能表征

2.4.1 接触角分析

2.4.2 傅里叶红外光谱分析

2.4.3 X射线光电子能谱分析

2.4.4 Zeta电位分析

2.4.5 扫描电镜分析

2.5 结果与讨论

2.5.1 膜表面的润湿性能分析

2.5.2 膜表面红外光谱分析

2.5.3 膜表面元素组成分析

2.5.4 膜表面Zeta电位分析

2.5.5 膜表面SEM分析

2.6 本章小结

第三章 改性陶瓷膜在真空膜蒸馏中的应用研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂

3.2.2 实验仪器

3.2.3 实验内容

3.2.4 管式膜组件的设计

3.2.5 实验装置流程图

3.2.6 实验步骤

3.2.7 分析方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 温度对膜蒸馏通量和截留率的影响

3.3.2 真空度对膜蒸馏通量的影响

3.3.3 料液转速对膜蒸馏的影响

3.3.4 进料液浓度对膜蒸馏通量的影响

3.4 正交实验评价膜蒸馏影响因素

3.4.1 正交实验设计与分析

3.4.2 正交实验极差和方差分析

3.5 本章小结

第四章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者及导师简介

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摘要

近些年来,新兴了一种膜分离技术——膜蒸馏,它是以传统的分离技术作为基础,联合膜分离过程,分离过程中所用的膜为疏水微孔膜,传质的推动力为膜两侧的蒸汽压力差。该项技术由于具备可在常压下进行、潜热回收容易、设备简单、操作便捷、分离性能好等优点,在很多领域中得到了应用。如对海水的淡化处理、化工污水及废水的分离利用、超纯水的制备等等。但由于膜蒸馏过程中,所用膜必须具备疏水的特性,使得膜材料的来源受到了很大的限制。
  针对于以上问题,本论文的研究重点是寻求一种新型的膜材料,拓宽膜蒸馏材料的来源。陶瓷膜是一种常见的无机膜,由于机械强度高、化学稳定性和热稳定好、渗透能力强等优点,在分离技术中得到了广泛的应用,但因表面羟基的存在,使其展现极强的亲水性能,不能直接应用在膜蒸馏过程中。对陶瓷膜进行疏水改性,使其由亲水性转变为疏水性,将改性过的陶瓷膜应用在真空膜蒸馏中。
  陶瓷膜的改性剂选用乙烯基三乙氧基硅烷,采用两种不同的制膜方式:浸泡法和喷涂法,制备疏水涂层。将改性前后的陶瓷膜利用接触角测量仪、ATR-FITR、SEM、XPS和Zeta电位等表征手段进行分析。实验的结果表明:疏水基团成功地接枝在陶瓷膜表面,喷涂法和浸泡法所改性的陶瓷膜表面接触角分别为123.0°和124.4°,疏水能力相近,但采用喷涂法所需改性液浓度仅为浸泡法的2/15,疏水涂层形成更快。因此,喷涂法是一种更具优势的制膜改性方式。
  将改性过的陶瓷膜应用在真空膜蒸馏装置中进行脱盐实验,其膜通量能达到8.14kg·m-2·h-1,截留率为99.96%,表明对陶瓷膜疏水改性应用在膜蒸馏装置是可行的。同时,考察工艺了操作条件对膜通量和截留率的影响,升高进料温度、提高真空度、加快进料流速均有利于膜通量增大,进料浓度的增加对膜通量增加起抑制作用。在整个实验过程中,改性后的陶瓷膜均保持了较高的截留性能,截留率均在99.0%以上。
  最后,设计正交实验,考察操作条件对膜通量影响的程度,得出进料温度影响最为显著,真空度、进料浓度次之,进料转速影响最为微弱。

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