低成本中空纤维陶瓷膜的制备耦合有害金属的固定化

低成本中空纤维陶瓷膜的制备耦合有害金属的固定化近年来,多孔陶瓷膜以其独特的优势吸引越来越多的关注,已经被广泛地应用到油污废水处理、海水淡化、饮用水净化、过滤细菌、气体分离和催化反应器等分离纯化领域。为了进一步增加陶瓷膜的使用价值,本文主要介绍了具有较高装填面积(~3×104m2·m-3)的中空纤维陶瓷膜。在众多中空纤维陶瓷膜中,相转化法制备的陶瓷膜具有一步形成指状孔-海绵层非对称结构的非对称结构。到目前为止,陶瓷膜的主要材质为纯氧化铝。但是其制备成本(主要为原料成本和烧结成本)居高不下,这就限制了陶瓷膜的大规模应用。目前,部分研究集中在低成本陶瓷膜的制备,即使用低成本的矿物或工业废渣。目前,仍没有研究使用铝矾土矿物替代纯氧化铝,生产低成本氧化铝中空纤维陶瓷膜。另一方面,通过高温相转化,大多数有害金属可与富铝材料反应,使其固定到尖晶石结构中。同时,以铝矾土矿物为富铝矿物,有望将有害金属固定到多孔陶瓷膜中,这种方法不仅可以实现有害金属的固定化,同时得到具有过滤功能的多孔陶瓷膜。(1)通过相转化-高温烧结法,以铝矾土熟料为原料,制备出具有指状孔-海绵层非对称结构的低成本氧化铝-莫来石复合陶瓷膜。本实验系统研究了芯液流速和空气间距对中空纤维膜形貌的影响。其中,芯液流速过低时由于不充分固化容易造成中空纤维膜内壁的形变,而过长的空气间距依然会造成内部指状孔的畸变。同时本实验系统研究了烧结行为对中空纤维膜微结构、孔径分布、氮气通量和机械强度的影响。同时,酸碱滴定的方法首次用来测定陶瓷膜表面有效羟基浓度。烧结温度的增加可以提高中空纤维膜的机械强度,但会降低有效羟基浓度。相对于氧化铝陶瓷膜,低成本氧化铝-莫来石中空纤维复合膜显示了更低的烧结温度,相当的机械强度和有效羟基浓度。(2)通过高温热转化反应,有害金属铜与铝矾土矿物反应被固定到尖晶石结构中,同时制得了具有过滤功能的尖晶石基多孔陶瓷膜。在1000-1090℃,90%以上的氧化铜被固定到尖晶石结构中。烧结温度过高,容易造成Cu-Al尖晶石的分解,最终导致少量氧化铝和氧化铜的产生。并且,铝矾土熟料制备的尖晶石基陶瓷膜中的尖晶石更容易分解。这主要是因为在大颗粒的铝矾土熟料表面的氧化铜的蒸发损失现象更为明显。长时间的铜离子浸出实验表明铜离子被成功的固定到Cu-Al尖晶石结构。(3)低成本氧化铝-莫来石复合陶瓷膜被氧化铜助烧结,其中反应烧结机制取代传统的熔融烧结机制。在本实验中,我们系统的研究了烧结温度对氧化铜添加量、开孔隙率、收缩率、机械强度、孔径分布、氮气通量和微观结构的影响。其中,多孔陶瓷膜CuAl8展示了适中的烧结行为。在高孔隙率氛围内,多孔陶瓷膜CuAl8的表现与多孔陶瓷膜Al相当。其助烧结作用主要来源于Cu-Al尖晶石的形成和二次莫来石的交叉互锁结构,这也导致多孔陶瓷膜CuAl8相对均一的孔径分布。多孔陶瓷膜CuAl8被应用到油污废水的处理中,其显示了相对较低的渗透通量,但是非常稳定并且较高的截留率。(4)为了降低有害金属锌的危害,铝矾土熟料不仅实现了氧化锌的固定化,同时得到Zn-Al尖晶石基多孔陶瓷膜。本实验系统研究了烧结温度对相转化路径、收缩率、孔隙率、机械强度、孔径分布、氮气通量和微结构的影响。其中,相转化路径指出Zn-Al尖晶石生成于1000℃,并在1300℃完全尖晶石化。对于Zn-Al尖晶石基陶瓷膜而言,其孔隙率和收缩率主要受Zn-Al尖晶石的膨胀反应和无定型二氧化硅的致密化作用的综合影响。其中,多孔陶瓷膜ZnAl4显示了高达44%的孔隙率。相对于多孔陶瓷膜Al,由于尖晶石和针状莫来石的