Al_2O_3和SiC微滤膜的疏水改性及其油固分离性能研究

以正辛基三乙氧基硅烷和乙醇分别作为改性剂和溶剂,采用接枝聚合法对平均孔径为500 nm的Al_2O_3膜和SiC膜进行疏水改性,考察了改性剂浓度、改性液温度和改性时间对膜表面疏水效果的影响,并对比了疏水改性前后两种陶瓷膜的表面性质及疏水改性后的油固分离性能,进行了反冲实验和稳定性测试。结果表明,两种陶瓷膜材料在改性剂浓度为0.2 mol·L~(-1),改性液温度为40℃,改性时间为12 h时,疏水改性效果最好,得到的疏水Al_2O_3膜和SiC膜的水接触角分别为134°±1°和140°±1°,经改性后的SiC膜的疏水效果优于Al_2O_3膜。在油固分离实验中,疏水Al_2O_3膜和SiC膜均对固体炭黑有良好的截留性能,但疏水改性对SiC膜的油品通量提升更为显著,两种膜的稳态通量分别为1134 L·m~(-2)·h~(-1)和1408 L·m~(-2)·h~(-1)。反冲操作对疏水SiC膜的通量恢复更有利。     

臭氧-SiC陶瓷膜耦合工艺处理油田采出水实验研究

针对油田采出水成分复杂、油水难以分离的问题，采用Al₂O₃和SiC陶瓷膜对其进行处理，对比两种陶瓷膜的处理效果可知，SiC陶瓷膜出水的含油量低于Al₂O₃陶瓷膜，后续选定SiC陶瓷膜耦合O₃氧化处理油田采出水，考察油田采出水的处理效果，利用SEM、EDS对陶瓷膜的微观形貌和物相组成进行表征，分析膜表面由于油滴和颗粒物等杂质堆积对膜通量和出水浊度、含油量及COD去除的影响。耦合实验结果表明，在O₃氧化时间为4 min，跨膜压差为0.065 MPa，通量为4 669.63 L/(m²·h)的条件下，COD、油含量和浊度的去除率分别可达75.51%、99.70%和99.90%，显著高于陶瓷膜或O₃单独运行时各污染物的去除率。可见O₃氧化耦合陶瓷膜过滤能够改善膜的性能，提高油水分离效率，促进油田采出水更高效的处理。     

基于空冷的疏水陶瓷膜冷凝器用于烟气脱湿过程强化的实验研究

以环境空气为冷源,采用硅烷接枝的疏水Al₂O₃陶瓷膜构建膜冷凝器开展烟气脱湿实验。对比了疏水陶瓷膜与传统疏水钢管的冷凝性能;系统考察了烟气流量、烟气温度、吹扫因子、吹扫气温度、跨膜压差等过程参数对疏水陶瓷膜水回收性能的影响;比较了疏水陶瓷膜冷凝器(空冷)与亲水陶瓷膜冷凝器(水冷)的冷凝性能。结果表明,相同水接触角下(120°),多孔陶瓷膜的烟气温降是致密304钢管的1.3~2.5倍,疏水陶瓷膜能有效强化冷凝传热。疏水陶瓷膜的过程水通量随烟气流量、烟气温度、吹扫因子的增加而上升,随跨膜压差、吹扫气温度的增加而降低。过程水回收率随烟气流量、跨膜压差、吹扫气温度的增加而降低,随吹扫因子的增加而增加,随烟气温度的增加先上升,然后趋于稳定,而后下降。实验工况下,疏水陶瓷膜实现了0.6~5.2 kg·m^-2·h^-1的水通量和7.6%~57.4%的水回收率。低冷却介质流量下,基于水冷的亲水陶瓷膜的烟气冷凝性能更优异;随着冷却介质流量的上升,疏水陶瓷膜的冷凝性能迅速提升,并达到亲水陶瓷膜的性能。疏水陶瓷膜冷凝器在气体脱湿和水分回收领域有广阔的应用前景,将为改善工业过程的“能源-水资源-环境”关系助力。     

陶瓷膜接触器化学吸收氮氧化物的传质过程与阻力分析

针对选择性催化还原技术(SCR)存在装置大、运行费用高、催化剂中毒失活等问题，将平均孔径为100 nm的Al₂O₃陶瓷膜进行疏水改性并组装成膜接触器，以NaClO₂水溶液为吸收液，开展陶瓷膜接触器在烟气脱硝领域的应用研究。考察了陶瓷膜接触器在化学吸收脱硝中的稳定性，以及气体流量、吸收液浓度、吸收液流量、吸收液pH等因素对NO脱除率和传质通量的影响，基于阻力串联模型，建立总传质系数方程。研究表明，陶瓷膜接触器在连续600 min运行过程中，NO的脱除效率及传质通量分别稳定在99%和0.038 mol·m^-2·h^-1左右。进气流量的增加会促进NO的吸收，吸收液pH=3时具有最高的氧化吸收性能，同时提高吸收液的浓度会增强NO的脱除效果。NO的传质过程同时受气、液、膜三相阻力控制，传质阻力分析结果表明，可以通过增加气体流速减小气相阻力，增加吸收液浓度同时降低pH减小液相阻力。本研究在烟气脱硝领域具有良好的应用前景。     

改性废弃口罩熔喷布疏水膜的制备及油水分离性能

通过原位化学沉积在废弃口罩熔喷布表面负载均匀分散的二氧化硅(SiO₂)纳米颗粒，进而接枝十八烷基三氯硅烷(OTS)，得到具有多级粗糙结构的疏水膜。改性膜的水接触角达到142.5°，重力作用下四氯化碳通量达到12224L·m^-2·h^-1，油水分离效率大于98%。结果表明改性膜能够在酸性、碱性、盐溶液以及超声等条件下保持性能稳定，具有很好的应用前景,为废弃口罩的绿色、低碳、资源化利用提供了新思路。     

α-Al2O3小孔径超滤膜低温制备与性能研究

α-Al₂O₃以低廉的价格与优秀的性能成为制备陶瓷膜的经典材料,然而α-Al₂O₃需高温驱动相变,高温会导致晶粒的过度生长与孔隙的聚结,这不利于超滤膜的制备。为制备具有高选择性的α-Al₂O₃小孔径超滤膜,采用聚合溶胶路线,通过调节溶胶合成参数影响其热处理过程中的结构转化以促进α-Al₂O₃的低温制备。在950℃下煅烧的前驱体完全转变为α-Al₂O₃。通过考察涂膜时间提升膜面完整性并采用该热处理条件制备了具有超薄分离层的α-Al₂O₃超滤膜。该膜展现出良好的分离与渗透性能,并具有较好的重复性,截留相对分子质量约为75 kDa,渗透率约为250 L·m^-2·h^-1·bar^-1。     

离子筛吸附与陶瓷膜耦合用于盐湖卤水提锂

将锰系离子筛吸附与陶瓷膜耦合,用于高镁锂比盐湖卤水的提锂研究。采用水热法制备了高效锂离子筛H_1.6Mn_1.6O₄,考察离子筛用于卤水提锂效果和陶瓷膜的分离性能。结果表明：制备的离子筛粉体粒径分布在100～500 nm之间,平均粒径为160 nm,用于察尔汗盐湖卤水中对Li⁺吸附容量达到31.44 mg·g^-1;孔径50 nm的陶瓷膜对离子筛的截留率达到100%,膜渗透通量大于150 L·m^-2·h^-1;反冲操作可有效维持吸附-膜分离过程的稳定性,吸附与陶瓷膜的耦合过程对盐湖卤水中的锂提取率超过97%,盐酸和双氧水清洗可有效恢复膜渗透通量。研究结果为高镁锂比盐湖卤水提锂提供了新方法。     

石英微滤陶瓷膜的制备研究

以石英砂陶瓷支撑体为基体，SiO₂粉体为固相，聚乙烯醇(PVA)为黏结剂，聚丙烯酸和丙三醇为分散相制备涂膜液，采用浸渍提拉法进行微滤膜层的涂覆制备，考察黏结剂添加量、涂膜时间、烧结温度等制备条件对石英微滤陶瓷膜性能的影响，通过孔隙率、纯水通量、SEM等方法对其进行测试和表征。结果表明：石英微滤陶瓷膜涂膜液聚乙烯醇含量为10%,涂膜时间60 s、烧结温度850℃时制备的石英微滤陶瓷膜性能较好，孔径均匀，平均孔径为1.90μm,纯水通量为9.20 m³·m^-2·h^-1·bar^-1,孔隙率为35.58%。     

高温除尘碳化硅膜的制备及其抗腐蚀特性

采用喷涂法在碳化硅（SiC）支撑体上覆膜,根据碳化硅材料的氧化特性,设计了有氧烧结和氩气烧结随温度转换的组合烧结制度,并通过优化保温时间降低碳化硅陶瓷膜烧结成本。研究结果表明,新的烧结制度能有效地控制有氧烧结阶段产生的二氧化硅（SiO₂）量,并促进其与烧结助剂氧化锆（ZrO₂）等在气氛烧结阶段的反应,反应生成的锆英石相和添加莫来石相共同形成SiC颗粒连接颈部。制备的碳化硅陶瓷膜平均孔径为3.03 μm,气体通量为175 m³?m^-2?h^-1?kPa^-1。且在100℃的0.25 mol?L^-1的H₂SO₄溶液和0.25 mol?L^-1的NaOH溶液中腐蚀6 h后,膜层表面形貌无明显变化,具有较强的抗腐蚀性能。     

含哌啶阳离子侧长链型一/二价阴离子选择性分离膜的制备

基于超酸催化聚合机理制备了含咔唑片段的聚合物主链结构,并通过调控季铵化反应中N-甲基哌啶单体的用量,得到了不同哌啶离子含量的阴离子选择性分离膜。通过核磁共振氢谱证明了聚合反应和季铵化反应顺利进行。热重和动态机械分析的测试结果表明膜具有优异的热稳定性和力学性能。通过电渗析 （ED） 测试膜的阴离子分离性能,结果显示离子通量和选择性均优于商业膜Neosepta ACS。在NaCl/Na₂SO₄体系中,QPC-Pip-60的Cl^-通量可达3.24 mol·m^-2·h^-1,选择性可达11.6。在NaOH/Na₂WO₄碱回收体系下,良好的微相分离结构使得OH^-通量可达3.59 mol·m^-2·h^-1,选择性最高为70。长时间稳定性测试和碱稳定性测试结果表明所制备的系列膜具有优异的循环稳定性和耐碱性能。     

TMCS修饰MFI分子筛膜的制备及乙醇/水分离稳定性的研究

采用三甲基氯硅烷（TMCS）作为修饰源对MFI分子筛膜进行表面改性,系统考察了TMCS浓度以及修饰时间对于MFI分子筛膜在分离乙醇/水混合物时的性能影响。SEM、XRD、²⁹Si NMR、FT-IR、接触角实验及分离实验结果表明,TMCS可以与硅羟基反应,嫁接分子筛膜表面,在消除膜表面硅缺陷的同时提高膜的疏水性及膜分离性能的稳定性。随着TMCS浓度以及反应时间的增加,修饰后MFI分子筛膜的通量及分离因子略有下降,但稳定性增强。在TMCS的浓度为0.4%（质量）,修饰时间为2 h时,所得到的膜具有最佳渗透汽化分离性能,并可在60℃下分离5%（质量）乙醇/水混合物时保持良好的稳定性。在连续90 h渗透汽化分离过程中,其渗透通量稳定在1.61 kg·m^-2·h^-1 左右,分离因子保持在20以上。     

无机杂化海藻酸钠渗透汽化膜的制备与分离性能对比

为提高海藻酸钠（SA）膜的渗透汽化分离性能,分别采用纳米氧化铝、纳米氧化锆和纳米氧化钛对SA膜进行改性,对比分析了3种不同杂化膜渗透汽化分离性能的差异,并将分离性能较好的杂化膜应用到乙酸与乙醇酯化反应脱水的体系中。系统考察了无机纳米粒子含量对SA膜渗透汽化分离性能的影响,对杂化膜进行了接触角、傅里叶红外（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、热重/差示扫描量热（TG/DSC）、X射线衍射（XRD）和拉伸强度等表征与分析。结果表明,无机纳米粒子能提高SA膜的热稳定性、机械强度和渗透通量,当无机纳米粒子与SA质量比为0.3时,掺杂TiO₂、ZrO₂和Al₂O₃的杂化膜二碘甲烷的接触角依次升高,同时渗透通量也依次升高。SA-0.3Al₂O₃杂化膜亲水性较好,然而SA-0.3ZrO₂杂化膜分离性能最优,50℃下分离水含量10%的乙醇-水溶液,膜渗透通量达到336 g·m^-2·h^-1,渗透侧水含量99.97%,分离因子29990。酯化反应脱水实验表明,在80℃时,酯化反应脱水实验乙酸转化率均高于无脱水实验乙酸转化率,平衡转化率不断被打破,反应12 h后,转化率由平衡时的79.3%提高到93.9%。     

利用核桃壳的形态结构优化Al2O3多孔材料的孔结构和性能

首先将质量分数为5%的ZrO₂溶胶、7%的Al₂O₃溶胶、3%的SiO₂溶胶作为浸渍试剂对核桃壳粉（WSP）浸渍处理。然后以α-Al₂O₃微粉为主原料,以处理后的WSP为造孔剂,制备了Al₂O₃多孔材料。研究了溶胶浸渍处理后WSP对多孔材料孔结构、热导率和力学性能的影响。结果表明,在Al₂O₃多孔材料的孔中可以清楚地观察到WSP的形变,这是优化陶瓷孔结构的重要因素。通过使用质量分数为3%的SiO₂溶胶浸渍处理的WSP,可以获得低热导率(200℃,0.297 W·m^-1·K^-1)和高耐压强度（43.5 MPa）的Al₂O₃多孔材料,并在孔中发现了莫来石的交叉网络结构。     

GO/Al2O3复合纳滤膜的制备及其稳定性能研究

以平均孔径为20 nm的Al₂O₃管式超滤膜为载体，经多巴胺改性后，利用压力驱动沉积法成功制备出能在水溶液中长期稳定的GO/Al₂O₃复合纳滤膜，并通过改变负载量实现了对GO层厚的调控。结果表明，随错流时间的延长，不同GO负载量下GO/Al₂O₃复合纳滤膜的纯水渗透系数均呈现先降低后稳定的趋势。且随着GO负载量的增加，稳态纯水渗透系数逐渐降低；当GO负载量增加到90 mg/m²后，GO/Al₂O₃复合纳滤膜对一二价盐的渗透系数与截留率均无显著变化。同时，由于盐测试过程中残余的盐离子在GO片层间产生了交联作用，从而导致随着在纯水中存放时间的延长，不同GO负载量的GO/Al₂O₃复合纳滤膜对一二价盐的截留率均呈上升趋势。GO负载量为140 mg/m²的GO/Al₂O₃复合纳滤膜在水中浸泡680 h后对1 mmol/L Na₂SO₄的截留率可达到91.0%。GO/Al₂O₃复合纳滤膜对四种一二价盐的截留率满足：R(Na₂SO₄) > R(MgSO₄) > R(NaCl) > R(MgCl₂)。     

ZSM-5沸石分子筛膜的制备及脱盐性能研究

淡水资源日益短缺,发展膜法海水淡化技术是满足世界淡水供应需求的重要途径,但是寻找合适的膜材料依然是人类面临的挑战。ZSM-5沸石分子筛膜（简称沸石膜）具有规则的孔道结构、合适的孔径尺寸（0.51~0.56 nm）以及可调变的硅铝比,在有机物脱水分离应用中展示了优异的选择性及良好的渗透性和稳定性。基于其孔径尺寸介于水分子和盐离子之间,其在海水淡化脱盐领域也具有应用潜力。在大孔α-Al₂O₃载体上采用二次生长法制备了ZSM-5沸石膜,考察了晶化时间与合成液的硅铝比对ZSM-5沸石膜成膜和渗透蒸发脱盐性能的影响,并采用XRD、SEM、EDS与水接触角表征了合成膜的相结构与结晶度、骨架组成表面特性等膜的结构性质。结果表明：通过二次水热法采用合成液摩尔配比为n（Al₂O₃）∶n（SiO₂）∶n（Na₂O）∶n（NaF）∶n（H₂O）=0.05∶1∶0.21∶1.01∶55的合成液在175℃下晶化48 h为最佳的合成条件,制备了Si/Al比为10、接触角为17.5°的亲水纯相致密ZSM-5沸石膜,并在75℃下对3.5%（质量）的NaCl水溶液进行了渗透蒸发测试,水的通量和盐离子截留率达到8.35 kg·m^-2·h^-1和99.99%,且性能在60 h的时间依存性测试后依然稳定,表现出了很高的海水淡化工业应用潜力。     

H-beta分子筛催化苯胺缩合制备二苯胺

对苯胺缩合生成二苯胺用H-beta分子筛催化剂进行研究,考察分子筛硅铝比和NH_4F改性对H-beta分子筛催化苯胺缩合反应的影响,采用NH_3-TPD和Py-IR对催化剂进行表征。结果表明,B酸是催化苯胺缩合的活性中心,低硅铝比与适当卤素处理均可提高B酸含量,有利于缩合反应。反应温度320℃,空速0. 2 h~(-1),0. 125 mol·L~(-1)的NH_4F溶液处理硅铝比为25的H-beta分子筛上,二苯胺的收率达到34. 68%。基于催化活性位点的研究,探讨了苯胺缩合反应机理。     

基于化学链燃烧的转炉放散煤气利用研究

在固定床反应器和热重分析仪上对浸渍法制备的过渡金属氧化物载氧体MnO₂/Al₂O₃、Fe₂O₃/Al₂O₃和CuO/Al₂O₃与转炉放散煤气中CO的反应特性进行了研究，并结合比表面积分析、脉冲化学吸附和扫描电镜等手段表征了CuO/Al₂O₃的循环寿命性能。结果表明，在上述三种载氧体中CuO/Al₂O₃表现出了最佳的反应活性，反应进行2 min时的CO转化率在225℃以上的反应温度下就能达到90%。在350℃、还原反应空速4000 h^-1和氧化反应空速159 h^-1的条件下，CuO/Al₂O₃能够保持良好且稳定的CO脱除性能和机械强度，因而具有良好的循环寿命。据此，提出了基于化学链燃烧的转炉放散煤气利用新工艺，本工艺可安全利用间歇排放的转炉放散煤气，并实现对用户的连续供热。