论文摘要
陶瓷膜与有机聚合物膜相比,具有良好的耐热和耐化学腐蚀性、较高的机械强度和可控的微观结构等优点,可应用在严苛的环境中。然而传统的平板或管式陶瓷膜表面积/体积比小,分离效率低,大大限制了其应用。近年来,中空纤维陶瓷膜由于具有较大的充填密度和较高的选择渗透性而引起广泛的关注。制备中空纤维陶瓷膜有许多方法,其中相转化法与高温烧结技术的结合是制备中空纤维陶瓷膜最有效和简便的方法。这个过程包括将含有陶瓷粉体的聚合物溶液进行湿法或干法纺丝,随后对初生纤维进行高温烧结处理。陶瓷粉体/聚合物/溶剂体系可以看成聚合物包裹陶瓷颗粒的悬浮液,一旦浸入聚合物的非溶剂中,即会发生溶剂/非溶剂转换,导致聚合物相的沉淀,同时陶瓷粒子固定在其中。经过高温烧结后,就可获得具有不对称结构的中空纤维陶瓷膜。本文以PES为聚合物粘结剂,NMP为溶剂,采用湿法纺丝和高温烧结技术制备了 A1203中空纤维陶瓷膜。研究了 A1203含量、凝固浴组成、烧结温度、A1203粉体粒径、烧结助剂Si02对中空纤维陶瓷膜结构、形态和性能的影响。此外,以A1203中空纤维陶瓷膜为基体,利用浸渍涂覆方法制备了勃姆石/氧化铝复合膜,研究了成膜过程的影响因素。得到以下主要结论:（1）铸膜浆料中A1203含量对膜的微观结构与性能有着重要影响。A1203含量增加可明显提高浆料粘度,使相转化过程受到抑制,对指状孔洞的尺寸和海绵层的厚度都会带来影响。随着铸膜浆料中A1203含量的增加,中空纤维陶瓷膜的孔隙率下降。当A1203/PES的比例在4-6之间时,随着A12O3含量的增加,膜的弯曲强度增大;但A1203含量过高,膜的弯曲强度反而下降。（2）凝固浴水中加入溶剂NMP后,其凝固能力下降,降低了相分离过程的速度。当凝固浴中NMP浓度低于20%时,能形成纤维内外皮层为指状孔洞而内核为海绵状孔的三明治结构;当NMP浓度进一步增高时,指状孔洞消失,形成较致密的海绵结构。随着NMP浓度的增加,中空纤维陶瓷膜的孔隙率提高,而膜的弯曲强度下降。以弱的非溶剂乙醇代替水时,制备的A1203中空陶瓷纤维呈现更加致密的海绵层结构。（3）随着烧结温度的升高,A1203中空纤维陶瓷膜弯曲强度增大,孔隙率下降。烧结温度提高,膜内部Al2O3颗粒堆积密度提高,空隙减少,颗粒间结合更为紧密。当烧结温度为1450℃时,中空纤维陶瓷膜具有较高的弯曲强度,达24.4 Mpa。（4）研究了纳米Al2O3粉体加入对中空纤维膜的孔结构及力学性能的影响,结果表明,纳米粒子可以促进Al2O3颗粒紧密粘结,形成网络结构,大大改善了膜的力学性能。当添加5%纳米氧化铝时,膜的弯曲强度从24.4 Mpa提升至33.6 Mpa。（5）烧结助剂SiO2对氧化铝陶瓷烧结后弯曲强度和线收缩率也有很大影响,膜的抗弯强度和相对密度随着SiO2的加入量的增加而迅速变大。烧结过程中,SiO2中的无定形部分形成液相,在氧化铝粒子之间填充空隙,粘结Al2O3固体颗粒;同时SiO2与Al2O3形成细小的莫来石晶相,也起到增加颗粒粘结的作用。（6）异丙醇铝（AIP）水解制备得到稳定的勃姆石溶胶。以Al2O3中空纤维膜为基体,采用多次浸渍涂覆法,可以得到表面光滑致密的AlOOH-Al2O3复合膜。PVA的加入能有效改善成膜性能,且使膜的厚度有所增加。