高通量平板陶瓷基碳膜的制备及应用制造技术

高通量平板陶瓷基碳膜的制备及应用，其属于膜法水处理技术领域。采用相转化及高温烧结技术制备高通量平板陶瓷膜，采用浸渍

【技术实现步骤摘要】
高通量平板陶瓷基碳膜的制备及应用


[0001]本专利技术涉及一种高通量、高导电和光吸收性能的平板陶瓷基碳膜制备及界面加热膜蒸馏含盐废水处理工艺，其属于膜法水处理


技术介绍

[0002]水资源短缺是制约人类可持续发展的全球性问题之一，随着海水淡化的进行会产生很多高盐度的废水，这类废水如果直接排放，不仅危及生态环境，造成水环境污染，还浪费其中的水和盐类资源，同时随着工业化水平的提高，工业含盐废水排放量也越来越多，含盐废水的高效处理尤为迫切。
[0003]与其他水处理工艺相比，膜蒸馏工艺更适合处理含盐废水，尤其高盐废水，膜蒸馏过程中，在蒸气压差的推动作用下，进料侧水蒸发所产生的蒸汽通过膜孔进入冷凝侧，蒸发所需热量由进料侧提供，所需的汽化潜热以及通过膜的传导热会导致在原料液和膜面之间产生温度梯度，使得跨膜温差小于进料侧与冷凝侧温差，传质推动力减小，这一现象称为温差极化。传统膜蒸馏也有膜污染的问题。温差极化现象和膜污染的存在会使跨膜传质的推动力减小，通量降低。因此，要提高膜通量，必须削弱温差极化和膜污染，强化温度边界层传热，界面加热的方式能有效缓解温差极化和膜污染的问题，显著提高膜蒸馏性能。
[0004]碳纳米管作为新兴碳材料有着广泛的应用，在可见光照射条件下吸收率可达98％，以及良好的焦耳热效应，是一种极具潜力的界面光电加热材料。现有膜蒸馏工艺的膜材料存在诸多亟待解决的问题，如常用的管状膜构型光照面积受限，传统的平板陶瓷膜及其平板陶瓷基碳膜的孔隙率低。

技术实现思路

[0005]综合考虑以上问题，本专利技术通过提高陶瓷基底孔隙率和渗透性，改变碳纳米管负载状态，充分利用膜蒸馏工艺过程中的光电界面加热效应，来提高通量、减缓温差极化和膜污染。我们使用相转化
‑
高温烧结法制备平板陶瓷膜，以钛酸镍为催化剂，并沉积生长平板陶瓷基碳膜，其表现出更好的疏水能力以及较高的气通量；同时陶瓷基碳膜具有较高的光吸收和导电能力。
[0006]本专利技术的技术方案为：高通量平板陶瓷基碳膜的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)多孔平板陶瓷膜的制备
[0008]将聚醚砜：N
‑
甲基
‑
吡咯烷酮按质量比1:2
‑
8混合，再加入聚乙烯吡咯烷酮，三种有机物在行星球磨机内搅拌，形成稳定均匀的聚合物混合液后，再加入陶瓷粉体，继续球磨，得到陶瓷浆料；浆料中聚醚砜与N
‑
甲基
‑
吡咯烷酮的质量分数为30
‑
60wt.％，聚乙烯吡咯烷酮质量分数为0.5
‑
10wt.％，余量为陶瓷粉体，上述陶瓷粉料采用氧化铝、氧化锆、碳化硅、氧化钛、莫来石、尖晶石；
[0009]将陶瓷浆料脱泡后倒在干净的玻璃板上，涂膜使浆料均匀地铺展在玻璃板表面，接着将其转移至去离子水中充分交换并固化形成生坯，自然干燥后置于马弗炉中升温至
1100
‑
1800℃，煅烧得到多孔平板陶瓷膜；
[0010](2)催化剂溶液的制备
[0011]以硝酸镍和钛酸四丁酯为原料，乙醇为溶剂，柠檬酸为络合剂；按硝酸镍：钛酸四丁酯：柠檬酸的摩尔比为(0.5
‑
5):(0.5
‑
5):(0.5
‑
5)，混合搅拌均匀，再加入去离子水后用氨水调pH至中性，稀释至镍离子的浓度为1
‑
5mol/L，制得催化剂溶液；
[0012](3)平板陶瓷基碳膜的制备
[0013]将多孔平板陶瓷膜浸渍到催化剂溶液中，浸渍60
‑
240min，放入烘箱中干燥1
‑
5h，干燥后放入厢式炉中以1
‑
5℃/min的速度升温至600
‑
1000℃，保温煅烧1
‑
5h；煅烧后将其置于管式炉中，在流量比为(0.5
‑
5):(0.5
‑
5):(1
‑
10)的H2、N2和C2H4气氛氛围下，700
‑
800℃反应10
‑
60min，得到平板陶瓷基碳膜。
[0014]所述平板陶瓷基碳膜应用于光热膜蒸馏工艺。
[0015]所述平板陶瓷基碳膜应用于电热膜蒸馏工艺。
[0016]所述光热膜蒸馏工艺采用的光功率密度为1
‑
3kw
·
m
‑2。
[0017]所述电热膜蒸馏工艺采用的电压为1
‑
10V。
[0018]进一步，结合其综合能力，本专利技术可以在水处理应用中，将电能和光能结合，使应用拓展到无光照的晚上或电力资源稀缺的边远山区等。
[0019]选用相转化
‑
高温烧结法制备氧化铝平板陶瓷载体，优化碳纳米管膜的合成条件，将制备得到的平板陶瓷基碳膜运用到界面加热膜蒸馏工艺过程中，具体步骤如下：
[0020](1)氧化铝平板陶瓷载体的制备
[0021](1.1)原材料的处理
[0022]氧化铝粉末平均粒径为0.825μm，将氧化铝粉末在120℃烘箱中干燥24h。
[0023](1.2)铸膜液的制备
[0024]本实验采用单层相转化法制备多孔氧化铝平板陶瓷载体，商用α
‑
Al2O3粉体平均粒径(D50)为0.825μm，质量分数为50wt.％，将聚醚砜，聚乙烯吡咯烷酮和N
‑
甲基
‑
吡咯烷酮按质量比(8:2:40)混合在行星球磨机内搅拌2h，形成稳定均匀的聚合物混合液后，再加入50g的氧化铝粉体继续球磨48h，，得到均一稳定的氧化铝浆料。
[0025](1.3)氧化铝平板陶瓷载体的形成
[0026]将球磨结束后的稳定浆料倒入烧杯中，并置于真空干燥箱内，脱泡30min，直至气泡完全脱出，调整可调式涂膜器的高度，将浆料均匀倒在干净的玻璃板上，手动匀速缓慢拖动涂膜器，使浆料均匀地铺展在玻璃板表面，接着将其迅速转移至去离子水中凝固，静置24h后，充分交换并固化形成生坯。取出生坯后，在室温下自然干燥48h，然后根据需要切割成不同形状和尺寸。将样品放置于马弗炉中，进行煅烧。具体的升温程序过程为：从室温2℃
·
min
‑1升温至600℃，保温2h，使生坯内的溶剂充分燃烧，再以5℃
·
min
‑1升温至1550℃，保温4h，最后以5℃/min降温至室温。最后得到煅烧成型后的氧化铝陶瓷膜。
[0027](2)改进的平板陶瓷基碳膜制备
[0028](2.1)将0.01mol Ni(NO3)2·
6H2O加入30mL乙醇中，搅拌成透明溶液，然后加入0.01mol Ti(OC2H9)4，使n(Ni
2+
):n(Ti
4+
)＝1:1，在加入一定量的柠檬酸，n(柠檬酸):n(Ni
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高通量平板陶瓷基碳膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)多孔平板陶瓷膜的制备将聚醚砜：N
‑
甲基
‑
吡咯烷酮按质量比1:2
‑
8混合，再加入聚乙烯吡咯烷酮，三种有机物在行星球磨机内搅拌，形成稳定均匀的聚合物混合液后，再加入陶瓷粉体，继续球磨，得到陶瓷浆料；浆料中聚醚砜与N
‑
甲基
‑
吡咯烷酮的质量分数为30
‑
60wt.％，聚乙烯吡咯烷酮质量分数为0.5
‑
10wt.％，余量为陶瓷粉体，上述陶瓷粉料采用氧化铝、氧化锆、碳化硅、氧化钛、莫来石、尖晶石；将陶瓷浆料脱泡后倒在干净的玻璃板上，涂膜使浆料均匀地铺展在玻璃板表面，接着将其转移至去离子水中充分交换并固化形成生坯，自然干燥后置于马弗炉中升温至1100
‑
1800℃，煅烧得到多孔平板陶瓷膜；(2)催化剂溶液的制备以硝酸镍和钛酸四丁酯为原料，乙醇为溶剂，柠檬酸为络合剂；按硝酸镍：钛酸四丁酯：柠檬酸的摩尔比为(0.5
‑
5):(0.5
‑
5):(0.5
‑
5)，混合搅拌均匀，再加入去离子水后用氨水调pH至中性，稀释至镍离子的浓度为1
‑
5mol/L，制得...

【专利技术属性】
技术研发人员：董应超，丁刘杰，孙春意，王栋，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：