基于水处理的低成本高性能陶瓷超滤膜设计及制备关键技术

For long preparing process cycle, single species, high cost, poor performance and easy to be polluted of the current porous ceramics membranes, the solution of optimization of raw materials and simplification of fabrication process for reducing cost, and surface modification of membrane for improve its properties were proposed. The main research contents were as follows: (1) Optimization of raw fly ash materials through observation and analysis of the microstructure and chemical composition, as well as control milling time. (2)The effects of gel-casting and dip-coating parameters on the microstructure and properties of the porous ceramics membrane support, interface layer and separation layer. (3) The sintering and heat shrinkable behaviors and rules of fly ash with different particle size under different sintering conditions, and then optimize the multilayer co-sintering parameters. (4) The quantitative investigation of the relationships of preparation techniques, microstructure and properties of the porous ceramic membranes, and realize the design of microstructure and preparation process parameters. (5)The effect of dip-coating process parameters on the pore size and thickness of cellulose acetate layer, and variation of the permeate properties and fouling resistance of ceramic membrane after surface modification. The project aimed at making breakthrough of controlling of preparation, structure and properties of ceramic membrane, preparation of low cost high performance porous ceramic membrane, provides the research foundation and technical support for its mass industrial application in liquid phase separation fields.

针对目前多孔陶瓷膜制备工艺周期长、品种单一、成本高以及性能差、膜易污染等问题，提出采用同时从原材料优选和简化制备工艺两方面来控制成本、并在多孔陶瓷膜表面涂覆一层亲水性醋酸纤维素的解决方案。主要研究内容包括：①观察分析粉煤灰原料的微结构与化学成分以及控制球磨时间，优选粉煤灰原料；②分别采用凝胶注模成型工艺、浸渍-涂覆工艺制备多孔陶瓷膜支撑体、中间层和分离层，研究工艺参数对其微结构与性能的影响；③研究不同烧结条件下不同粒度原料的烧结和热收缩行为规律，优化多层共烧工艺参数；④定量考察其制备工艺、微结构与性能之间的关系，实现膜材料结构与制备工艺参数的设计；⑤采用浸渍-涂覆工艺制备醋酸纤维素层，研究表面改性后多孔陶瓷膜的分离渗透性能与抗污染情况。旨在新型多孔陶瓷膜的制备及其结构与性能的可控化方面有所突破，制备出低成本高性能多孔陶瓷膜，为其在液相分离领域的大规模工业化应用提供研究基础和技术支持。

针对目前多孔陶瓷膜制备工艺周期长、品种单一、成本高以及性能差、膜易污染等问题，提出采用同时从原材料优选和简化制备工艺两方面来控制成本、提高质量的解决方案。主要研究内容包括：①采用不同的成型制备工艺制备了新型高性能的多孔陶瓷膜支撑体，包括添加造孔剂法、叔丁醇基凝胶注模工艺、添加造孔剂的凝胶注模工艺、冷冻成型工艺，获得了孔结构与性能可控的多孔陶瓷支撑体；②在现有商用19通道多孔陶瓷膜支撑体的基础上，为了增加面积/体积比，通过优化结构设计以制备工艺参数，获得了大直径密集型多通道的多孔陶瓷膜管，通过减小多通道陶瓷膜管中进料侧与渗透侧之间的距离，进而减小滤液的渗透阻力，提高渗透分离效率，最后制备新颖结构的大直径多通道多孔陶瓷膜管，从而解决膜面积和分离渗透效率之间的矛盾；③针对由于膜层材料不稳定等引起的多孔陶瓷膜孔径分布不均、性能单一等问题，采用不同的工艺制备得到了不同结构的纳米多孔陶瓷粉体，包括采用溶剂蒸发自组装法合成了具有高热稳定性的介孔氧化锆粉体，采用碳球作为硬模板法制备得到了具有中空结构的SiO2、TiO2、Co3O4等空心球，采用无机盐模板溶剂热法一步合成了TiO2/MOx复合空心球粉体，其具有较好的可见光催化性能；④针对上述密集型多通道陶瓷超滤膜制备过程中存在的技术难题，本项目通过优化工艺制备参数，制备非对称型新型多孔陶瓷超滤膜。研究浸渍-涂覆工艺参数对多孔陶瓷膜中间层及分离层厚度、孔径及其分布的影响；研究烧结温度、升温速率等工艺参数及助烧结剂对多孔陶瓷超滤膜烧结过程的影响，得到较优化的烧结工艺参数；研究多孔陶瓷膜烧结特性及其孔隙率变化规律，制备出孔径大小及孔隙率可控的新型多孔陶瓷膜；⑤针对密集型多通道陶瓷超滤膜制备过程中的膜层控制的问题，本项目采用在制膜液中加入一些微量的添加剂，通过优选添加剂的种类和添加量，结合涂膜工艺参数（浸渍时间、烧结温度、烧结时间等）的优化，实现密集型多通道陶瓷超滤膜膜层的厚度、均匀可控，最终制备出具有均匀孔径分布的无裂纹的超滤膜层的密集型多通道陶瓷超滤膜，为其在液相分离领域的大规模工业化应用提供研究基础和技术支持。