超疏水ZnO-SiC陶瓷复合膜的制备及其在含油体系分离中的应用

作     者：魏晶晶 

作者单位：宁夏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵天生;魏逸彬

授予年度：2022年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：超疏水-超亲油 陶瓷膜 碳化硅 ZnO纳米花 含油体系分离 

摘      要：随着经济的发展和工业的进步,能源化工、食品制药、机械制造等行业每年产生数百万吨含油混合液。含油混合液的排放造成了严重的资源浪费和环境破坏。以油为连续相,水或固体颗粒为分散相的含油体系分离一直是一个世界级的难题。由于良好的化学稳定性,陶瓷膜被广泛应用于含油体系的分离中。近年来,超疏水-超亲油多孔界面材料在含油体系方面展现出了超常的性能,超疏水-超亲油陶瓷膜也被认为是解决含油体系分离难题最有效的手段之一。本文选用多孔SiC陶瓷膜为载体,在其表面构建ZnO纳米花结构,通过有机硅烷降低ZnO-SiC微纳复合结构表面能,形成超疏水-超亲油微纳复合表面,研究了所制备超疏水-超亲油SiC陶瓷复合膜在含油体系中的分离性能。首先,选择硫酸锌（ZnSO4）、醋酸锌（Zn（Ac）2）、硝酸锌（Zn（NO3）2）作为前驱体,采用化学浴沉积和正辛基三乙氧基硅烷接枝的方法对平均孔径为250 nm的多孔SiC陶瓷膜表面进行超疏水改性,制备得到一系列表面具有不同尺寸ZnO纳米花微纳结构的超疏水-超亲油ZnO-SiC陶瓷复合膜。在反应温度、反应时间和反应浓度相同的条件下,考察Zn2+前驱体种类对SiC膜表面几何形貌的影响,进而考察其对SiC陶瓷膜表面超疏水浸润性的影响。对比了超疏水改性前后SiC陶瓷膜的表面形貌及浸润性。结果表明:在反应浓度为75 mM,反应时间为3 h,反应温度为96℃,络合剂为单乙醇胺的条件下,用Zn（NO3）2和Zn（Ac）2为前驱体制备的ZnO纳米花瓣为针状,前者的尺寸略大于后者,而用ZnSO4为前驱体制备的ZnO纳米花花瓣形状则为正六面体纳米棒。制备的超疏水SiC-ZnSO4、SiC-Zn（Ac）2和SiC-Zn（NO3）2膜的水接触角分别为162.1 ±0.9°、170.3± 1.1°和172.8±0.5°,油接触角分别为 7.32°、7.08°和 5.36°。不同Zn2+前驱体可以对ZnO-SiC陶瓷复合膜的表面结构产生影响,最终影响其浸润特性。其次,对比了空白SiC膜、直接接枝的SiC膜和不同Zn2+前驱体制备的具有表面纳米花状微纳结构的超疏水-超亲油ZnO-SiC陶瓷复合膜分离油包水乳化液的性能,考察了不同Zn2+前驱体制备的超疏水陶瓷膜、乳化液水含量和操作时间对膜分离性能的影响。结果表明:与空白SiC膜、直接接枝的SiC膜相比,具有表面纳米花状微纳结构的超疏水ZnO-SiC复合膜在油包水乳化液中的油通量和截留率均有明显提高,具有中等尺寸ZnO纳米花状微纳结构的SiC-Zn（N03）2膜表现出最高的超疏水-超亲油性能。SiC-Zn（NO3）2膜在1 bar的跨膜压力下,对浓度为1000 ppm的正己烷包水乳化液进行分离,其截留率大于99%,初始油通量约为～1300 L·m-2·h-1,比空白SiC陶瓷膜高出1.3倍。对2000 ppm正己烷包水乳化液进行分离,SiC-Zn（NO3）2膜的稳态油通量为235.29 L·m-2·h-1,这也远远高于空白膜的通量（61.22 L·m-2·h-1）。相较于已报道的疏水陶瓷膜,本文所制备的超疏水-超亲油ZnO-SiC陶瓷复合膜对于油包水乳化液的分离性能十分优异。最后,选用平均孔径分别为0.62 μm、1.41 μm和1.53μm的SiC陶瓷膜作为载体,采用和第二章相同的超疏水改性方法,制备了一系列超疏水-超亲油SiC-Zn（NO3）2复合膜,考察不同孔径对陶瓷膜超疏水改性的影响。并将制备得到的超疏水-超亲油SiC-Zn（NO3）2陶瓷复合膜应用于油-水混合液、油-固混合液和油-水-固混合液的含油体系分离过程中,探究膜孔径和含油体系组成对膜分离性能的影响。结果表明:三种孔径的SiC膜载体经超疏水改性后,在分离油-水混合液时,相比于平均孔径为1.41 μm和1.53 μm的SiC膜,平均孔径为0.62μm的SiC膜经过超疏水改性后,分离性能提升更加明显。在0.5 bar跨膜压力下,分离油-固混合液时,改性后平均孔径为 0.62 μm、1.41 μm 和 1.53 μm的 SiC 膜的初始油通量为～50000、～66000 和～79000 L·m-2·h-1,与改性前的SiC膜相比分别提高了约1.67倍、1.69倍和1.15倍,并且可以将混合液中粒径为4.8μm的石墨完全截留。分离油-水-固混合液时,改性后平均孔径为0.62μm、1.41 μm和1.53 μm的SiC膜的初始油通量为～40000、～53000和～66000 L·m2·h-1,也远远高于改性前SiC膜的初始油通量。相同孔径的SiC陶膜的初始油通量从大到小的排序为:油-水混合液、油-固混合液、油-水-固混合液。