复合碳化硅陶瓷过滤膜材料的制备及表征

研究了陶瓷纤维过渡层浆料的不同工艺配方对复合碳化硅过滤膜材料结构的影响,陶瓷粘结剂量对过滤膜的孔隙率、孔径大小和孔径分布的影响,以及陶瓷粘结剂量为15%（质量分数）时,造孔剂量对过滤膜孔隙率的影响.采用流延成型法在多孔碳化硅陶瓷块体上流延制备复合碳化硅陶瓷过滤膜,并用XRD对过滤膜进行物相分析,扫描电镜观察过滤膜的形貌,表面过滤膜的孔隙率和孔径分布则用排水法和泡点法分别测试.结果表明,1 300℃烧结3h后的碳化硅过滤膜在2θ=22°时,有SiO₂衍射峰生成.当陶瓷纤维过渡层浆料各成分的质量比为:硅酸铝纤维:莫来石纤维:羧甲基纤维素钠（CMC）:蒸馏水=1:1:1.565,复合碳化硅陶瓷过滤膜结构最均匀平整.当粘结剂量5%增加到25%时,过滤膜气孔率从46%下降到29%,平均孔径从11.916μm减小至4.017μm;当粘结剂量为15%,造孔剂量从5%增加到25%时,过滤膜气孔率从41%上升到60%.     

微纳米纤维空气净化滤膜的研究进展

微纳米纤维由于比表面积高、长径比高和孔隙率高等优点在制备空气净化滤膜方面极具应用潜力,但始终面临高的过滤效率和低过滤阻力之间的矛盾。文中首先介绍了不同材料制备的微纳米纤维膜的过滤性能,并对不同材料的特性和过滤效果进行了分析;其次总结了典型的微纳米纤维膜结构,包括纤维形貌、纤维膜内结构和层间结构;最后对高效低阻微纳米空气滤膜今后的发展方向进行了展望。     

大孔氧化铝支撑体上细孔膜的制备研究

采用悬浮粒子浸涂法在宽孔径分布的大孔（平均孔径为12μm）管状支撑体上进行了氧化铝细化膜制备过程的研究,探讨了浆料中固体含量和涂膜时间对膜的孔径大小,分布和形貌的影响,初步得到孔径分布比较窄而且表面比较平整的微滤膜,提出了在这种大孔支撑体上的简单的成膜模型,加深并拓宽了对湿膜形成过程机理的认识。     

纺锤状纤维结构的设计及其PM2.5过滤性能研究

城市雾霾,特别是其中的PM_2.5颗粒(当量直径≤2.5μm),因其自身危害及其携带的病原体对公共健康具有严重威胁而被人们广泛关注.静电纺丝纳米纤维作为空气过滤膜实现PM_2.5高效捕获是国内外研究热点,但现有的纺丝滤膜仍存在无法兼顾高过滤效率和低空气阻力的问题.根据蛛丝微观结构特点,采用静电纺丝技术,通过在纺丝纤维内部引入不同形貌黏土矿物及其微球前驱体的策略,可实现复合纤维及其滤膜材料的多级结构构筑和微观形貌调控,成功设计具有纺锤状埃洛石微球节点的仿生纳米纤维滤膜材料.其纤维表面富含亲水基团及活性位点,粗糙的表面形貌具有高表面能及PM_2.5颗粒的强捕获性.对比纯纺丝滤膜(62.59μm),纺锤状节点滤膜具有蓬松的纤维膜层间架构(74.17μm)及窄尺寸的表面孔隙,可实现稳定高效的PM_2.5过滤效率(>85.0%)及持续低压差阻力(~39 Pa).本文探索了纳米纤维的官能化、多层次结构构建和微观形貌调控对纺丝滤膜过滤性能的影响及其过滤机制理论,为其他新型高性能高分子纳米纤维复合材料的设计和开发提供了借鉴.     

陶瓷湿膜形成机理及增厚动力学

讨论了在用浸浆法制备非对称α-Al2O3微滤膜过程中陶瓷湿膜在多孔支撑体上的形成机理,建立了湿膜增厚动力学模型.根据该模型,可以定量地预计在不同浸涂时间内湿膜的厚度,从而为膜厚的有效控制提供了理论根据.由模型计算的结果与α-Al2O3微滤膜的实验数据符合得很好.     

SrCo（0．8）Fe（0．2）O（3-δ）管状非对称陶瓷膜的制备与氧渗透研究

用共烧法制备了以(SrCo0.8Fe0.2O3-δ)0.85(SrSnO3)0.15(SCF-SS)多孔层为支撑体和SrCo0.8Fe0.2O3-δ(SCF)致密层为顶层膜的管状非对称透氧陶瓷膜;并对其相组成、微形貌以及氧分离性能进行了表征.研究发现: SCF和SCF-SS之间有较好的兼容性;当共烧温度为1150℃时,获得的非对称陶瓷膜的致密层厚度为50μm,支撑体的显气孔率为19.3%;900和800℃时,非对称膜样品(壁厚1.4mm,外径10.3mm,长度为4.1cm)的氧渗透率分别为1.91和1.01mL·cm-2·min-1,分别比同样几何尺寸的SCF对称膜样品高24%和36%.     

以TiO2纤维制备微滤膜过程中烧结温度的影响

采用Al2O3多孔陶瓷为载体,使用浸浆法以TiO2陶瓷纤维制备微米级膜厚的微滤膜,借助气体泡压、渗透性能、环境扫描电镜、失重差热分析和X射线粉末衍射等手段对膜的微结构性能进行表征,讨论了影响膜层性能的因素--烧结温度对成膜的影响.实验结果表明:以TiO2陶瓷纤维制备的微滤膜适宜于低温烧结,晶型转变温度区间为800～1 000℃.500℃下制得的微滤膜平均孔径为1.5 μm,孔径分布较窄.与相对应的以陶瓷粒子烧结成的微滤膜相比,具有更大的气体通量.     

溶液吹纺分级结构氮化硼纳米片/聚丙烯腈纳米纤维膜用于高效空气过滤

空气中的污染物颗粒(PM)已经成为一个严重的环境问题，因此急需开发高效的空气过滤器。在本研究中，利用溶液吹纺(SBS)和雾喷技术，采用高横纵比的氮化硼纳米片(BNNSs)对聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜的表面进行雾喷改性，建立起分级结构，从而提高纳米纤维膜的比表面积，有效捕捉PM污染物。研究结果显示，具有分级结构的4-BNNSs/PAN空气过滤膜对PM2.5的过滤效率为95.13%，压降为34 Pa，与纺丝时长相同的PAN过滤膜相比，过滤效率提高了9.46%，而压降只提高了13 Pa，综合过滤表现更佳。本研究表明，通过将高比表面积的BNNSs雾喷到PAN纳米纤维膜的表面，构建分级结构的BNNSs/PAN复合膜是开发新型空气过滤膜的实用改性技术。     

BaCo_(0.7)Fe_(0.2)Nb_(0.1)O_(3-δ)非对称透氧膜的制备和研究

主要研究了BCFN非对称透氧膜的制备。采用了3种不同的方式制备BCFN多孔支撑体,并对其渗透性能和孔隙分布进行分析,发现采用干压成型方式制备的多孔支撑体的综合性能较其它两者更为优越。同时在用浸渍工艺制备致密膜层的过程中,通过调整浆料浓度和浸浆时间可以有效地控制膜层厚度和完整性。在浓度为20%(质量分数)的浆料中浸渍2min,可得到厚度约30μm、没有裂纹且表面平整的致密层。透氧实验的结果表明,相同条件下非对称膜的透氧率比致密膜提高了3倍左右且可以在850℃温度下长时间稳定工作。     

用于过滤膜的梯度孔径Ni-Cr-Fe多孔材料的制备及性能

本工作采用元素粉末反应合成法,利用固相偏扩散的原理进行固相烧结制备Ni-Cr-Fe多孔材料支撑体,再利用人工刷涂的方法将同配比且较细的Ni、Cr、Fe元素粉末悬浮浆料刷涂于多孔支撑体表面,经过真空烧结,制备得到梯度孔径Ni-Cr-Fe多孔材料。通过XRD、SEM、能谱等测试手段表征烧结后的梯度孔径Ni-Cr-Fe多孔材料的物相及孔结构性能。结果表明,同质的梯度孔径Ni-Cr-Fe多孔材料膜层完整,结合强度较好,以冶金桥接的方式结合。随着膜层厚度的增加,透气度将减小,当过渡层的厚度为80μm,表面膜层厚度为30μm时,最大孔径为6μm,透气度为936 m~3·m~(-2)·h~(-1)·kPa~(-1),透气度下降22. 64%。在膜层等厚且过滤精度达到要求时,二阶梯度孔径Ni-Cr-Fe多孔材料透气度的下降率比一阶梯度孔径NiCr-Fe多孔材料透气度的下降率小。过渡膜层起到了非常关键的作用,实现了在较高过滤精度的基础上具有较大的过滤通量。     

高渗透性ZrO2中空纤维陶瓷超滤膜的制备研究

以采用相转化法制备的高渗透性中空纤维陶瓷微滤膜为支撑体,通过溶胶浸溃涂覆技术制备了小孔径ZrO2陶瓷超滤膜.研究了支撑体预处理、溶胶组成、热处理温度、涂覆次数等因素对制备的ZrO2超滤膜的微结构及性能的影响.结果 表明,适量钇的引入可使ZrO2形成稳定的立方萤石结构晶相,可避免膜层出现开裂.在优化的热处理温度、溶胶组成...     

静电增强纤维动态过滤的理论研究

为了推导、预测滤料间有外加静电场时过滤器效率和压降的变化并且分析各参数如纤维厚度、颗粒直径、电场强度对效率和阻力的影响,提出了建立在D．Thorns建立的数学模型的基础上的静电增强纤维动态过滤效率和压降的计算方法,首先计算了单纤维的过滤效率和压降,然后计算纤维过滤器稳定状态的过滤效率和压降,从而计算了纤维过滤器动态过滤时的效率和压降,得出了重要结论：粒子直径越小,压力损失越大；电场强度越大,过滤效率越大,压力损失越小；增加纤维厚度能显著提高过滤器的过滤效率。     

YSZ-Al2O3多孔复合膜的制备和表征

制备了氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)膜层与氧化铝支撑体之间组分递变的YSZ-Al2O3复合膜层.为提高分离膜层的性能,考虑了组分递变及膜层厚度的控制.结果表明,复合膜层的热膨胀系数和烧结收缩率随着YSZ组分的增加而增加;烧结收缩率是选择复合膜层组分时应该考虑的主要因素.YSZ体积分数分别为20%和80%的YSZ Al2O3双层多孔复合膜,其可几孔径分别为0.72μm和0.36μm.该复合膜既是性能优良的微滤膜,也是制备氧化锆超滤膜和纳滤膜的良好支撑体.     

难混溶体系Al/Pb金属多层膜的Pb膜微观形貌和生长方式

用磁控溅射法在载玻片上镀制了难混溶体系Al/Pb金属纳米多层膜,考察了调制波长对Pb膜成膜的影响,借用Philip XL370型扫描电子显微镜研究了成膜质量、表面形貌及膜层断面结构形貌,并采用X射线观测了样品中Al、Pb相的存在形式和膜层结构变化.结果表明,当Pb膜达到一定厚度时,可得到均一、致密的难混溶体系Al/Pb金属纳米多层膜.探讨了膜的形成机理,给出了成核过程模型,并进一步修正了传统成膜机制.     

碳化硅纤维膜的制备及其含尘气体过滤性能

碳化硅陶瓷膜凭借其耐高温、耐腐蚀等优异性能广泛应用于含尘气体处理过程中，但是以碳化硅颗粒为原料制备的陶瓷膜孔隙率低，从而导致其气体渗透率偏小.而陶瓷纤维膜具有高孔隙率及透气性.本研究采用碳化硅纤维制备膜层，通过考察烧结温度、纤维含量、喷涂次数对膜性能的影响，最终在1 150℃下制得无缺陷的碳化硅纤维膜，该膜平均孔径为7.0μm,气体渗透率为448 m³/(m²·h·kPa).此外，该膜对PM0.3的截留率高于99.9%,过滤压降低于0.57 kPa,且具有良好的膜基结合力.     

膜面孔特征的图像分析研究

利用图像分析方法对微滤膜和超滤膜的电镜照片进行了分析,定量确定了膜孔相关的形态结构参数,并将膜孔参数与膜通量相关联.结果表明,由于微滤膜的交错立体分层结构,使得膜通量在过滤过程中随膜层厚度急剧下降.截留分子量相同或相近的超滤膜,膜孔形态参数差别很大.     

壳聚糖中空纤维膜的制备及其结构研究

采用干湿相转化成膜的方法,纺制了壳聚糖中空纤维膜,研究了干燥方法及成膜条件对膜结构的影响.实验发现自然干燥导致膜的严重收缩,最终形成整体致密的膜结构;采用乙醇-正己烷液-液交换干燥,能够有效地避免膜结构的完全致密化,最终形成整体非对称的膜结构.成膜条件的研究结果表明,壳聚糖浓度的提高,更易形成致密层增厚的膜结构;而凝胶温度及凝胶液组成中氢氧化钠浓度的升高,有利于形成致密层更薄,支撑层孔径更大的整体非对称膜结构.进一步的研究表明,整体非对称结构的壳聚糖中空纤维膜可以应用于渗透汽化分离碳酸二甲酯/甲醇混合物,突破恒沸组成的限制,具有较好的应用前景.     

纯铜钎料用于透氧膜陶瓷与不锈钢支撑体之间的封接

采用纯铜钎料用于透氧膜与不锈钢支撑体之间的封接,测试了纯铜钎料、透氧膜与不锈钢支撑体三者的热膨胀系数,研究了透氧膜与纯铜钎料在空气中钎焊后封接界面的形貌,以及钎焊接头在氧化/还原双重气氛下的密封性和稳定性。结果显示,在30～1000℃范围内,三者的热膨胀系数比较接近。封接后纯铜钎料与透氧膜连接界面无裂纹等缺陷,在透氧膜一侧生成一层由Cu扩散所致的厚度约为350μm的反应层。875℃透氧10h封接部位没有泄漏发生,透氧膜一侧的反应层厚度基本不变。     

陶瓷纳滤膜过渡层的设计与制备研究

采用平均粒径为300nm的Al_2O_3粉体,通过超声分散配制成稳定的制膜液,基于Hagen-Poiseuille和Darcy方程的理论计算,选择在平均孔径为1μm的载体上进行浸浆涂膜,经一次涂覆制备出无粗孔缺陷的Al_2O_3微滤膜.研究表明,制膜液的固含量、黏度、浸浆时间对膜厚有重要影响.当超声时间在20 min以上,膜层厚度大于40μm,烧结温度为1 050℃,制备的微滤膜平均孔径为100nm,最大孔径为300nm左右,孔径分布窄,渗透率在4 000L/(m~2·h·MPa)左右.进一步以该微滤膜作为底膜,制备出了小孔径氧化铝(Al_2O_3)超滤膜和氧化锆(ZrO_2)纳滤膜.平均孔径为1μm的支撑体大大简化了纳滤膜的制备工艺流程,降低了能耗,提高了陶瓷纳滤膜的实际应用价值.该工作为非对称管式纳滤膜的制备及产业化提供了简单高效的方法.     

基于湿法纺丝技术构建环糊精/聚乙烯醇纤维膜及其对空气污染物的移除性能

文中探索了一种制备稳定、长时、高效移除效率和透气性的空气过滤材料的新方法。通过湿法纺丝技术制备了含β-环糊精(β-CD)的空气过滤膜(CD/PVA纤维膜),该纤维膜对PM2.5的移除效率约高达99%,其最大压差为673 Pa,QF值为0.025 Pa~(-1)(而PVA的最大压差值高达943,QF值为0.005 Pa~(-1)),表明CD/PVA纤维膜具有良好的移除率和透气性能。与商用空气过滤膜相比,CD/PVA纤维膜的移除率可以与其媲美,而透气性能远优于商用空气过滤膜,吸附30 h后,商用空气过滤膜的压差值高达865 Pa, CD/PVA纤维膜仅为284 Pa。同时,CD/PVA纤维膜可以吸附空气中的气体污染物(例如SO_2),75CD/PVA对SO_2移除率达到69.6%,而PVA纤维膜对SO_2的移除率仅为50%。