基于空冷的疏水陶瓷膜冷凝器用于烟气脱湿过程强化的实验研究

以环境空气为冷源,采用硅烷接枝的疏水Al₂O₃陶瓷膜构建膜冷凝器开展烟气脱湿实验。对比了疏水陶瓷膜与传统疏水钢管的冷凝性能;系统考察了烟气流量、烟气温度、吹扫因子、吹扫气温度、跨膜压差等过程参数对疏水陶瓷膜水回收性能的影响;比较了疏水陶瓷膜冷凝器(空冷)与亲水陶瓷膜冷凝器(水冷)的冷凝性能。结果表明,相同水接触角下(120°),多孔陶瓷膜的烟气温降是致密304钢管的1.3~2.5倍,疏水陶瓷膜能有效强化冷凝传热。疏水陶瓷膜的过程水通量随烟气流量、烟气温度、吹扫因子的增加而上升,随跨膜压差、吹扫气温度的增加而降低。过程水回收率随烟气流量、跨膜压差、吹扫气温度的增加而降低,随吹扫因子的增加而增加,随烟气温度的增加先上升,然后趋于稳定,而后下降。实验工况下,疏水陶瓷膜实现了0.6~5.2 kg·m^-2·h^-1的水通量和7.6%~57.4%的水回收率。低冷却介质流量下,基于水冷的亲水陶瓷膜的烟气冷凝性能更优异;随着冷却介质流量的上升,疏水陶瓷膜的冷凝性能迅速提升,并达到亲水陶瓷膜的性能。疏水陶瓷膜冷凝器在气体脱湿和水分回收领域有广阔的应用前景,将为改善工业过程的“能源-水资源-环境”关系助力。     

19通道多孔陶瓷膜渗透过程的CFD模拟

根据Darcy定律，建立了多孔陶瓷膜中渗透流动的CFD计算模型，定量描述了纯水在多孔陶瓷膜中的渗流情况。根据CFD模型，采用有限体积法，模拟计算出四种平均孔径陶瓷膜的纯水通量，并与实验值进行了对比，结果吻合较好。采用该模型，定量计算出19通道陶瓷膜中每个通道对整体陶瓷膜渗透通量的贡献，并分析了其中的变化规律，为多孔陶瓷膜的构型优化奠定了基础。     

烧成氛围对多孔碳化硅支撑体耐碱性能的影响

以平均粒径为14.7μm的碳化硅为骨料、0.8μm的氧化锆为烧结助剂、7.8μm的石墨粉为造孔剂,采用干压成型法制备了多孔SiC支撑体,研究了空气、先空气后氩气(空气-氩气)、先空气后氮气(空气-氮气)、氩气、氮气烧成气氛围对多孔碳化硅支撑体耐碱性能等的影响。结果表明:在空气-氩气氛围下烧成,得到的多孔碳化硅支撑体综合性能最优。当惰性气氛起始烧成温度为1 100℃、煅烧终温为1 400℃时,制备的多孔碳化硅支撑体的平均孔径为1.9μm,孔隙率为45%,抗弯强度为40 MPa,纯水渗透率为165 m~3×m~(-2)×h~(-1)×MPa~(-1)。经80℃,1%(质量分数)的Na OH溶液腐蚀10 d后,多孔碳化硅支撑体的抗弯强度仍保持在30 MPa。     

过程参数对采用多孔陶瓷超滤膜回收烟气中余热和水性能的影响

将孔径为20 nm的陶瓷膜组装制成膜冷凝器,在水蒸气-空气形成的模拟体系中,采用去离子水作为冷却介质,开展了传递膜冷凝技术在烟气除湿和工业余热综合应用方面的研究。考察了空气流量、冷却水流量、进气温度和冷却水温度对陶瓷内膜和外膜过程通量的影响,并比较了两者水热回收性能。结果表明,过程通量均随进气流量和进气温度的增大而增加。随着冷却水流量的增大,过程通量也不断增加,但是冷却水流量达到一定值后,过程通量基本不再变化。冷却水温度对过程水通量的影响较小,但是热通量对冷却水温度的改变较敏感。冷却水流量的变化对陶瓷外膜的过程通量影响更加显著,表明陶瓷外膜水热回收过程更易受流体边界层的影响。在各实验工况范围内,陶瓷内膜和外膜分别具有更高的热通量和水通量,采用陶瓷膜过程的水通量和热通量最高分别可达到23.1 kg·m^-2·h^-1和47.5 MJ·m^-2·h^-1。随着传递膜冷凝技术开发和研究的不断深入,该技术在除湿和工业余热综合应用领域有着广阔的发展空间,将为我国节水、节能以及环境保护等领域的发展提供新的解决思路。     

原位反应烧结合成针状结构多孔莫来石载体

采用粘土矿物高岭土、Al₂O₃ 和 Al(OH)₃为原料, 原位反应烧结合成了针状结构多孔莫来石陶瓷膜载体. 考察了不同铝源的添加对针状结构多孔莫来石载体形成的影响, 并对其形成机制进行了研究. 研究结果表明: 针状结构莫来石形成机制为气固反应, 在针状结构莫来石形成前有氟黄玉生成, 并且与氟黄玉的生成量密切相关. 以Al(OH)₃ 作为添加铝源的组成中氟黄玉更容易生成, 并且随AlF₃含量的增加而增加, 在随后烧成过程中转化为具有刚性骨架的针状结构莫来石, 从而使多孔载体具有较高的孔隙率(>35%)和相对高的孔径(1.5μm).     

原位反应烧结制备高强度多孔莫来石支撑体

以粘土矿物和工业氧化铝为原料,通过高温原位反应烧结工艺制备了高强度多孔莫来石支撑体.研究发现针状结构莫来石晶须的原位生成,使多孔莫来石支撑体具有较高的机械性能和良好的孔结构,孔隙率在34.1%时,其抗折强度达到110.7 MPa.开孔孔隙率随烧成温度的升高而降低,平均孔径和孔径分布及三点抗折强度则随烧成温度的升高而增大.高温下,硅铝酸盐熔融相的存在是针状莫来石晶须形成的必要条件,长石的存在起到熔融助剂的作用,为针状莫来石的形成提供了一个液相环境.     

Ti/Zr复合纳滤膜的制备及其性能

通过聚合溶胶路线制备出稳定的Ti/Zr(摩尔比=1:1)复合溶胶。采用浸浆法,在平均孔径为5～6 nm的片状a-Al₂O₃/g-Al₂O₃载体上制备出完整无缺陷的Ti/Zr复合纳滤膜。详细考察了焙烧温度对Ti/Zr粉体的影响,并考察了Ti/Zr复合纳滤膜的性能。结果表明:在较高烧成温度下(500℃),Ti/Zr粉体依然呈无定形态且保持微孔结构。在400℃烧成温度下制备出孔径为1.49 nm的Ti/Zr复合纳滤膜,该膜的截留分子量(MWCO)为880,纯水通量为4.3 L·m^-2·h^-1·MPa^-1。在pH=6,压力0.8 MPa的条件下,该膜对0.005 mol·L^-1的MgCl₂、CaCl₂的截留率分别为85%和78%。     

烧成温度对合成莫来石陶瓷膜的影响

以正硅酸乙酯、硝酸铝和氟化铝为原料,采用溶胶一凝胶法在多孔莫来石陶瓷载体上原位反应烧结合成了晶须状多孔莫来石陶瓷膜.考察了在1 200,1 300,1 400,1 500℃烧成温度、保温2 h后对莫来石相及其膜层表面微观结构的影响.结果发现:在烧成温度为1 300℃时出现了莫来石相,并随着烧成温度的升高,莫来石相的特征峰增强;在氟化铝质量分数为10%、1 500℃保温2 h条件下,膜层表面生长出长为2.5μm、宽为0.5 μm、长径比(长/宽)为5的莫来石晶须,并且此时形成的莫来石晶须比较均匀,莫来石陶瓷膜平均孔径为0.75μm左右,纯水通量为725 L/(m2·h).     

GO/Al2O3复合纳滤膜的制备及其稳定性能研究

以平均孔径为20 nm的Al₂O₃管式超滤膜为载体，经多巴胺改性后，利用压力驱动沉积法成功制备出能在水溶液中长期稳定的GO/Al₂O₃复合纳滤膜，并通过改变负载量实现了对GO层厚的调控。结果表明，随错流时间的延长，不同GO负载量下GO/Al₂O₃复合纳滤膜的纯水渗透系数均呈现先降低后稳定的趋势。且随着GO负载量的增加，稳态纯水渗透系数逐渐降低；当GO负载量增加到90 mg/m²后，GO/Al₂O₃复合纳滤膜对一二价盐的渗透系数与截留率均无显著变化。同时，由于盐测试过程中残余的盐离子在GO片层间产生了交联作用，从而导致随着在纯水中存放时间的延长，不同GO负载量的GO/Al₂O₃复合纳滤膜对一二价盐的截留率均呈上升趋势。GO负载量为140 mg/m²的GO/Al₂O₃复合纳滤膜在水中浸泡680 h后对1 mmol/L Na₂SO₄的截留率可达到91.0%。GO/Al₂O₃复合纳滤膜对四种一二价盐的截留率满足：R(Na₂SO₄) > R(MgSO₄) > R(NaCl) > R(MgCl₂)。     

2014年我国陶瓷膜应用新进展

陶瓷膜是国家的战略新兴产业,在众多领域获得了广泛应用,产业发展速度很快.本文列举了我国陶瓷膜产业在政策层面获得的支持,阐述了2014年我国陶瓷膜在生物医药、化工与石化、食品与饮料、特种水处理等领域的应用新进展,并分析了行业应用规模与市场发展状况,最后对陶瓷膜材料的发展趋势进行了展望.