以压电材料为支撑体的非对称结构原位超声抗污染膜及其制备方法技术

技术编号:15643886 阅读:173 留言:0更新日期:2017-06-16 18:34
本发明专利技术涉及一种以压电材料为支撑体的非对称结构原位超声抗污染膜,其特征在于支撑体为多孔压电陶瓷,平均孔径为100‑3000nm;分离层为多孔无机膜,平均孔径分布为1‑1000nm。以压电陶瓷粉体为原料制备多孔结构的陶瓷支撑体,并在其表面制备多孔无机分离层;将湿膜晾干、烘干、煅烧,自然降温制备非对称结构膜;将非对称膜进行高压极化即得非对称结构的原位超声抗污染膜。本发明专利技术制备的分离膜孔径可在1‑1000nm进行调控以满足不同分离体系的需求;同时在电场作用下,压电支撑体在分离过程中可以产生超声振动,具有显著的抗污染效果。

【技术实现步骤摘要】
以压电材料为支撑体的非对称结构原位超声抗污染膜及其制备方法
本专利技术涉及原位超声抗污染膜及其制备方法,尤其涉及以压电材料为支撑体的非对称结构原位超声抗污染膜及其制备方法。
技术介绍
膜分离技术以选择性透膜为分离介质,通过在膜两边施加一定推动力,使原料侧组分选择性地透过膜,以达到分离提纯目的。它具有无相变、低能耗、高效率、工艺简单等优点,并且无机膜具有耐酸碱腐蚀、耐有机溶剂、耐高温高压等优点,因此具有非常广阔的应用前景。然而,膜污染是膜分离技术在实际应用过程中面临的共性难题,污染物会堆积在膜表面或者膜孔道内造成膜污染现象,不仅使膜过滤通量严重衰减,还可能影响膜对分离物质的截留性能,直接影响膜分离过程的经济性与可靠性。压电材料是一类受到压力作用时会在两端出现电压的晶体材料,压电材料经过高压极化后内部原先随机取向的晶粒会在直流电压作用下取向于所加电场方向,并在电场撤销之后保持正负极分离的状态。此时在其两端施加交流电场可以使压电材料产生机械振动,根据压电材料可以使交流电转换为机械振动的特点,可以将压电材料制备成分离膜,使膜材料成为原位超声发射源,在分离过程中产生机械振动,从而起到缓解甚至避免膜污染的作用。目前,以压电材料为原料制备抗污染分离膜的报道主要有Darestani(JMembraneSci,2013,435:226-232)以PVDF为原料制备了孔径为220nm,厚度为123μm的对称结构PVDF有机振动膜;Qiu(JMembraneSci,2015,,44:120-135)以锆钛酸铅陶瓷为原料制备了孔径为365nm的对称结构PZT电陶振动瓷膜。这两种对称结构的原位超声膜均表现出了良好的抗污染性能,这两种膜都是对称结构,而非对称结构的膜具有更好的渗透性能和分离性能,因此制备具有非对称结构的原位超声抗污染膜具有极大的意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是:现有的原位振动抗污染膜均为对称结构,为了提高振动膜的分离性能和渗透性能,需要制备非对称结构的原位超声膜。因此提供了一种以压电材料为支撑体的非对称结构原位超声抗污染膜,本专利技术的另一目的是提供上述非对称结构原位超声抗污染膜的制备方法,在确保原位超声膜抗污染性能的同时减小了膜的平均孔径,提高了膜的分离精度。本专利技术的技术方案为:以多孔压电陶瓷为支撑体,制备纳米级别的颗粒制膜液,并涂覆在多孔压电陶瓷支撑体表面,煅烧制备分离层。该分离层可以提高非对称膜的分离精度,同时不影响支撑体的性能。将这种非对称膜进行高压极化,支撑体即具备压电性能,在交流电作用下可以产生原位超声起到抗污染作用。本专利技术的具体方案为:一种以压电材料为支撑体的非对称结构原位超声抗污染膜,其特征在于支撑体为多孔压电陶瓷,平均孔径为100-3000nm;分离层为多孔无机膜,平均孔径分布为1-1000nm。优选上述支撑体的材质为钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅、氧化锌、偏铌酸铅、铌锰酸铅、铌锌酸铅或石英中的一种或者其混合物;支撑体为片状或管状结构;本专利技术所制得的非对称结构原位超声抗污染膜的共振频率为20kHz-500kHz。优选所述的分离层多孔无机膜的材料为氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化硅、碳纳米管、石墨、金属纤维或碳纤维中的一种或者其混合物;优选上述纳米颗粒粒径为5-1000nm。优选多孔无机膜的膜层数为1-5层。本专利技术还提供了上述的非对称结构原位超声抗污染膜的制备方法,其具体步骤为:A、制成片状或管状的多孔压电陶瓷支撑体,升温至800-1200℃,煅烧1-4小时成型;B、将无机材料分散在溶液中制备质量固含量为0.2-20%的制膜液;C、在多孔压电支撑体上涂膜,经烘干后形成无机多孔膜层;D、逐渐升温至300-1050℃,煅烧1-4小时,自然降温得到无机多孔膜;E、或者重复B、C和D步骤1-4次以制备更小孔径的多孔无机膜层;F、将制备的无机多孔膜在高压电场下进行极化,使多孔压电陶瓷支撑体具备压电性能,得到非对称结构原位超声抗污染膜。优选步骤A和步骤D的煅烧环境均为空气气氛、氩气气氛、氦气气氛或氮气气氛中的一种。优选步骤B中的溶液为去离子水、氧化铝水溶胶、氧化钛水溶胶或氧化锆水溶胶中的一种。优选上述纳米制膜液制备方法,加入分散剂或分散剂与增稠剂促进制膜液分散均匀,分散剂为氨水、聚乙烯亚胺中的一种,分散剂质量固含量为不超过1%;增稠剂为羟甲基纤维素、聚乙烯醇或乙二醇中的一种,增稠剂质量固含量为不超过1.3%。优选步骤C复合膜制备参数中,制膜液涂覆次数为1-5次,每次涂覆时间为30-180秒,复合膜膜层厚度为50-5000nm;湿膜晾干时间为10-20小时;在60-120℃下干燥10-20小时。优选步骤F中非对称膜的极化条件:极化环境为绝缘白油、绝缘硅油或空气;极化电场强度为1-3kV/mm;极化温度为80-150℃,极化时间0.5-2h。本专利技术还提供了上述的原位超声抗污染膜在固液分离、气固分离或液液分离中的应用。稳定通量可以提升0.5-20倍。本专利技术所制备的非对称结构原位超声抗污染膜具有1-5层结构,支撑体具有较强的压电性能,可以产生原位超声起到抗污染作用;分离层具有较小的孔径,可以提高膜层的分离精度。有益效果1.非对称膜中的多孔压电支撑体在两端施加交流电后可以将电能转化为机械能,产生机械振动,可以减缓膜面的浓差极化现象,减缓污染物的堆积,起到抗污染作用。2.非对称膜以多孔压电陶瓷为支撑体,通过多层制备分离层,可以确保分离层的精度,防止缺陷的产生。3.在制膜液中加入纳米纤维如碳纤维、碳纳米管、钛纤维中的一种或者其混合物,纤维在支撑体表面堆积桥连,防止小尺寸纳米颗粒内渗至支撑体内。4.在制膜液中加入导电材料如碳纳米管、石墨、钛纤维中的一种或者其混合物,制备的分离层具有良好的导电性,可以作为电极起到导电作用,避免了在膜层表面外加移动电极。附图说明图1为以压电材料为支撑体的非对称结构原位超声抗污染膜及其制备方法示意图。图2为以压电材料为支撑体的非对称结构原位超声抗污染导电膜及其制备方法示意图。图3为以压电材料为支撑体的非对称结构原位超声抗污染膜的表面扫面电镜(SEM)照片。图4为水下超声检测器检测到的为以压电材料为支撑体的非对称结构原位超声抗污染膜原位超声曲线,其中横坐标为时间,纵坐标为振幅。图5为以压电材料为支撑体的非对称结构原位超声抗污染膜抗污染曲线,其中圆形曲线代表极化后的抗污染膜在交流电场作用下的抗污染曲线;星形曲线代表极化后的膜在无交流电作用下的曲线;三角曲线代表未极化的膜在无交流电作用下的曲线;雪花形曲线代表未极化的膜在交流电作用下的曲线。具体实施方式实施例一:以多孔锆钛酸铅为支撑体的氧化铝原位超声微滤膜及其制备将锆钛酸铅粉体(粒径6-10um)干压成型,在1200℃下煅烧4小时制备平均孔径为3000nm的片式多孔锆钛酸铅支撑体。将15g氧化铝(粒径2-3um)分散在100g水中,加入0.7g硝酸作为分散剂,羟甲基纤维素0.5g,分散均匀制备质量固含量为15%的制膜液。在锆钛酸铅支撑体表面涂覆3min,将湿膜升温至120℃在热风干燥箱中烘干12小时,再将烘干的膜在空气中升温至1050℃,煅烧4小时制备得到具有两层结构的平均孔径为1000nm的微滤膜。将非对称膜在150℃的空气环境中进行高压极化,本文档来自技高网
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以压电材料为支撑体的非对称结构原位超声抗污染膜及其制备方法

【技术保护点】
一种以压电材料为支撑体的非对称结构原位超声抗污染膜,其特征在于支撑体为多孔压电陶瓷,平均孔径为100‑3000nm;分离层为多孔无机膜,平均孔径分布为1‑1000nm。

【技术特征摘要】
1.一种以压电材料为支撑体的非对称结构原位超声抗污染膜,其特征在于支撑体为多孔压电陶瓷,平均孔径为100-3000nm;分离层为多孔无机膜,平均孔径分布为1-1000nm。2.根据权利要求1所述的非对称结构原位超声抗污染膜,其特征在于所述支撑体的材质为钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅、氧化锌、偏铌酸铅、铌锰酸铅、铌锌酸铅或石英中的一种或者其混合物;支撑体为片状或管状结构;非对称结构原位超声抗污染膜的共振频率为20kHz-500kHz。3.根据权利要求1所述的非对称结构原位超声抗污染膜,其特征在于分离层多孔无机膜的材料为氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化硅、碳纳米管、石墨、金属纤维或碳纤维中的一种或者其混合物;多孔无机膜的膜层数为1-5层。4.一种制备如权利要求1所述的非对称结构原位超声抗污染膜的方法,其具体步骤为:A、制备片状或管状的多孔压电陶瓷支撑体,升温至800-1200℃,煅烧1-4小时成型;B、将无机材料分散在溶液中制备质量固含量为0.2-20%的制膜液;C、在多孔压电支撑体上涂膜,经烘干后形成无...

【专利技术属性】
技术研发人员:邱鸣慧范益群毛恒洋邹栋
申请(专利权)人:南京工业大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

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