基于压电陶瓷的抗污染自清洁膜材料设计与制备研究

Membranes utilized for water and wastewater treatment are susceptible to fouling, which leads to gradual flux decline and loss of selectivity. To improve membrane anti-fouling and self-cleaning, the lead zirconate titanate (PZT) was proposed to prepare the piezoelectric porous membrane material, and ultrasound was generated from within membrane structure by application of an alternating voltage. The porous electrodes will be prepared by deposition of nano-particle dispersion mixtures on porous ceramic support. PZT will be dip-coated on the top of sub-electrode, followed by the thermal processing to form the final structure. The PZT membrane will be poled under high electric field between sub-electrode and remote top-electrode, and obtain built-in acoustic generating properties capable of reaching ultrasonic frequencies. The effects of electrode layer, PZT layer and poling process on membrane surface acoustic pressure distribution and frequency response characteristics will be systematically investigated. The anti-fouling abilities and self-cleaning properties of the composite membranes will be affected by ultrasound vibration and cavitation, and evaluated by the reduction of flux. Meanwhile, a new theory and method on the anti-fouling and self-cleaning membrane, including design, fabrication, characterization and application can be obtained. This work also may afford a new idea for studying and developing ceramic separation membranes.

针对膜污染导致通量严重衰减及分离性能劣化的问题，提出利用压电陶瓷原位发出超声波抑制膜污染形成的方法，设计以锆钛酸铅系(PZT)压电陶瓷制备多孔分离膜，实现膜材料多孔结构和超声强化协同调控对膜污染的源头控制。项目以多孔陶瓷为载体，沉积多孔金属膜作为底电极，采用浸浆等工艺在底电极表面沉积多孔PZT陶瓷膜，协同顶层外置移动电极，施加强直流电场对中间层多孔PZT膜进行极化，获得在交变电场作用下原位产生超声振动的多孔PZT压电陶瓷膜。系统研究多孔金属膜(电极)材料和结构、多孔PZT陶瓷膜结构及极化工艺对膜表面声压分布及频响特性的影响规律，探索声压和频响特性与超声波传播和空化性能的关系。通过膜污染实验，分析颗粒在超声振动膜表面的污染形成规律，阐明原位超声强化多孔陶瓷膜抗污染机制，建立自清洁压电陶瓷膜制备及结构和性能优化控制基本理论，为控制膜污染及新型抗污染自清洁膜研制提供理论基础和技术支持。

以压电陶瓷为原料制备多孔分离膜，经过高压极化后使其具备压电性能，在电场作用下可以原位发出超声波，从而减弱膜污染。本工作首先研究了制备条件对多孔锆钛酸铅（PZT）陶瓷膜性能影响。结果表明，随着烧结温度升高，多孔陶瓷膜颗粒颈部连接加强，孔径和孔隙率逐步减小，机械强度逐步升高，纯水通量逐步降低。当煅烧温度为950℃时制备得到的多孔PZT陶瓷膜具有较好的综合性能，此时多孔陶瓷膜的纯水渗透率为85L∙m-2∙h-1∙bar-1，孔隙率为34%，机械强度为50MPa，孔径分布在300nm左右。在此基础上，分别以多孔PZT陶瓷为载体及分离层制备非对称结构符合压电陶瓷膜。包括以PZT为载体，碳纳米管/氧化铝复合材料为分离层制备的导电超滤膜，导电膜层一方面可以提高复合膜分离精度，另一方面可以作为电极起到导电作用；而PZT载体为复合膜提供机械强度，同时可以产生原位超声，在分离过程中起到抗污染效果。该复合膜纯水渗透率为55.6 L∙m-2∙h-1∙bar-1，平均孔径为8nm。另一种非对称复合膜则以PZT为分离层，多孔Ti为载体。多孔Ti可以为复合膜提供较高的机械强度，同时作为底电极起到导电作用；而PZT层在提供分离精度的同时可以产生超声去除膜污染。该复合膜纯水渗透率为214 L∙m-2∙h-1∙bar-1，平均孔径为270nm。在制备好压电陶瓷膜的基础上，搭建了压电陶瓷极化装置。采用强直流电场对多孔PZT压电陶瓷进行极化并优化参数。研究表明，增加极化电场强度升高环境温度可以强化压电陶瓷的极化效果，但是环境温度过高会导致陶瓷膜更易于被击穿，从而限制了极化电压的上限。经过系统研究，发现在绝缘油中，较优的极化条件是：极化温度为120℃，极化电场强度为4kV∙mm-1，极化时间1h。在空气中，较优的计划条件是：极化温度为140℃，极化电场强度为3 kV∙mm-1，极化时间1h。将极化后的压电陶瓷膜用于含油乳化液分离研究，结果表明，复合膜对含油乳化液具有良好的分离效果，并且在原位超声作用下复合膜稳定通量得到了显著提高。这得益于原位超声所产生的液体扰动缓解了油滴颗粒的堆积以及浓差极化层的形成。