全陶瓷疏水膜孔隙结构设计及在膜分离领域的应用基础研究

Hydrophobic membrane with high-efficiency and long-lifetime plays an important role in membrane separation fields, such as seawater desalination and oil-water separation. With the finacial support from NSFC, we proposed and achieved all-ceramic hydrophobic membranes for the first time, which exhibit excellent stabilities at high temperature, in organic solvent, in strong acid/base solution and with humic acid. On the basis of previous studies, the present application is intended to increase the stability and repeatability of the production process, to expand the material system, to enhance the strength and reduce the thermal conductivity of the ceramic membrane, and to adjust the hydrophobic groups on the surface. We will focuse on the characterization of the pore structure of the novel membrane using X-ray small angle scattering beam station (SAXS) of the Shanghai light source. So the pore structure (shape, size, size distribution, connectivity and tortuosity) of the membrane and the hydrophobic layer, and the functional layer ratio could be adjusted through changing the material composition, optimizing the molding, sintering and surface modification process, in order to further increase the hydrophobicity, reduce membrane resistance, improve membrane flux and long-term stability. The obtained all-ceramic hydorphobic membrane will be assembled into a box-type membrane module, hope to achieve high flux, and find applications in seawater desalination and oil-water separation.

长寿命、高性能的疏水膜是海水淡化、油水分离等膜分离技术应用的关键。申请人在自然科学基金的支持下，提出并首次实现了全陶瓷疏水膜，在高温、有机溶剂、强酸碱、有机物腐蚀等苛刻环境下具有高稳定性。本申请希望在前期研究基础上，增加成型工艺的稳定性和可重复性，扩展材料体系，增强陶瓷膜强度，降低热导率，调控表面的疏水基团。重点是利用上海光源Ｘ射线小角散射光束线站(ＳＡＸＳ)进行各种孔隙结构的原位检测，进而通过改变材料组成、优化成型、烧结和表面修饰工艺，来调控陶瓷膜气孔形状、尺寸分布、连通性、曲折度、功能层比例、无机疏水涂层的微米/纳米复合结构，增强疏水涂层和陶瓷膜的结合，以进一步增加疏水性、降低膜阻力、提高膜通量和长期稳定性。并进行膜元件的组装和测试，将平板膜组装成膜盒子式膜元件，进行多层膜元件的结合测试，期望能获得较好的通量，探讨其在海水淡化、油水分离等领域的应用潜力。

本申请是在前期研究基础上，增加长寿命、高性能的疏水膜成型工艺的稳定性和可重复性，扩展材料体系，增强陶瓷膜强度，降低热导率，调控表面的疏水基团。（1）通过前驱体转化法，采用液态浇注制备多孔SiOC陶瓷膜，利用PDMS修饰膜表面，获得超疏水性，可稳定运行100h以上，并采用乳状液法制备SiOC微球，应用于锂离子电池负极材料，由于其致密而坚硬的表面以及高度多孔的内部结构而具有高容量和出色的长循环性能。（2）有机结合多种工艺，包括发泡-流延-凝胶注模、发泡-流延-溶胶凝胶、发泡-流延-水泥固化等，制备了系列氧化铝基多孔陶瓷膜，在油的收集、油水分离、烟尘过滤、爆气盘等领域具有潜在的应用潜力。（3）利用相转化流延制备低热导率高体积稳定性六铝酸钙多孔陶瓷膜。（4）成功通过在制备混凝土时加入了油相、乳化剂和少量的聚二甲基硅氧烷(PDMS)，一步制备具有均匀疏水修饰的3D轻质混凝土块体，具有优越的自清洁、噪音和隔热性能，获得媒体的广泛关注。（5）利用流延成型工艺使浆料成型，烧结得到低热导率的γ-Y2Si2O7陶瓷平板膜，具有优异的膜蒸馏性能。（6）通过相转化流延和无压烧结制备出具有较高机械强度和合适孔隙率的β-Sialon陶瓷膜，然后通过气相生长技术用莫来石晶须对其表面进行改性，在水处理领域中具有很好的应用前景。（7）在研究扩展方面，通过将还原的氧化石墨烯@TiO2@Ag（rgo@TiO2@Ag）加入到聚酰胺活性层中，制备了一种多功能薄膜纳米复合膜（MTFN），从而获得了高脱盐性能、染料保留和抗菌性能。（8）设计具有直孔结构的多孔导电陶瓷膜（氮化钛、碳化钛和碳化钨），利用合适的工艺生长光电催化剂，制备了系列自支撑、高强度、长寿命的新型电极，形成多种异质结，具有优异的电解析氢和析氧性能（低的过电势、塔菲尔斜率和电荷转移电阻，高的双电层电容和稳定性等）。（9）通过浸涂法在X70管线钢基材上制备了SiOC前驱体陶瓷膜，可以作为氢阻挡层有效地阻止氢的扩散。