專(zhuān)利名稱(chēng)：一種陶瓷膜的疏水改性方法及其應(yīng)用、裝置的制作方法
一種陶瓷膜的疏水改性方法及其應(yīng)用、裝置
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陶瓷膜技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，是一種陶瓷膜的疏水改性方法及其應(yīng)用、
直O(jiān)
背景技術(shù)：
陶瓷膜是無(wú)機(jī)膜中最重要的一種，具有化學(xué)穩(wěn)定性好，能耐酸、耐堿、耐有機(jī)溶劑， 機(jī)械強(qiáng)度大，易沖洗，抗微生物能力強(qiáng)，耐高溫，孔徑分布窄，分離效率高。但由于陶瓷膜本身表面羥基的存在，表面張力較大，對(duì)水的親和力較強(qiáng)，不具備疏水性，對(duì)一些特殊用途如膜蒸餾工藝，則不能滿(mǎn)足疏水性膜的要求。這必須通過(guò)一定的表面改性手段來(lái)實(shí)現(xiàn)親水陶瓷膜的疏水改性。目前，主要采用的陶瓷膜疏水改性方法有表面涂覆、表面噴涂、表面化學(xué)聚合、表面接枝聚合、表面輻射接枝、真空表面鍍膜等離子體表面聚合等手段。其中溶液接枝聚合法是利用陶瓷膜表面羥基(-0H)的存在，選用含氟或含氯或含氨基的有機(jī)硅烷作為改性劑。 通過(guò)接枝聚合反應(yīng)將有機(jī)硅烷共價(jià)連接到基體上得到復(fù)合膜。該改性方法簡(jiǎn)單易行，在任何實(shí)驗(yàn)室中均可以實(shí)現(xiàn)，并可以得到高性能的可用于膜蒸餾過(guò)程的疏水微孔膜。同時(shí)也保留了陶瓷膜本身機(jī)械強(qiáng)度大、孔徑分布窄等優(yōu)點(diǎn)。綜上所述，雖然以往的膜蒸餾方法理論上可行，但是新型膜材料開(kāi)發(fā)的欠缺限制了膜蒸餾的工業(yè)化應(yīng)用。本發(fā)明就是提供一種新型的陶瓷膜材料以供膜蒸餾在海水淡化、 工業(yè)廢水脫鹽上進(jìn)一步的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種陶瓷膜的疏水改性方法及其應(yīng)
田^W
Ztd、農(nóng)且ο本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的—種陶瓷膜的疏水改性方法，其具體步驟為(1)有機(jī)前軀體的選取，一般選取含氟硅烷如FAS (C8F17C2H4Si (OEt) 3， C6F13C2H4Si (OMe)4)),氨基硅油或含氯硅烷如二甲基二氯硅烷((CH3)2SiCl2)等作為有機(jī)前軀體，因?yàn)榉?、氮元素、氯元素具有表面活化能低，具有高疏水性和抗氧化性?2)改性溶液的制備，將選定的有機(jī)前軀體1. O 2mol/L溶于環(huán)己烷中，室溫條件下強(qiáng)烈攪拌11 13小時(shí)制得改性溶液或?qū)⒂袡C(jī)前軀體配制成水乳液；(3) Al2O3陶瓷膜進(jìn)行前處理，在NaOH溶液(3mol/L)中浸泡5 iaiiin后，用氯仿和去離子水洗凈，置于140 160°C烘箱中0. 75 1. 25h，后冷卻至室溫；(4) Al2O3陶瓷膜的表面接枝反應(yīng)；將前處理好的Al2O3陶瓷膜浸泡于有機(jī)改性溶液中22 ^h ；化學(xué)改性反應(yīng)一般發(fā)生在R4-nSiX(X = F，NR2, Cl，OCH3, OC2H5)的高活性中心和氧化物膜表面的羥基基團(tuán)之間，從而氧化物膜表面形成M-O-Si (M代表金屬)化學(xué)鍵，使其表面形成疏水層；
(5)改性Al2O3陶瓷膜的熱處理，將改性Al2O3陶瓷膜表面的改性溶液用去離子水洗凈，置于95 105°C烘箱中11 13h ；得到疏水改性后的陶瓷膜。經(jīng)過(guò)疏水改性后的陶瓷膜通過(guò)接觸角檢測(cè)儀、紅外光譜、熱重分析儀等檢測(cè)陶瓷膜的疏水改性質(zhì)量。一種陶瓷膜在膜蒸餾中的應(yīng)用。一種陶瓷膜蒸餾裝置，其包含儲(chǔ)液槽，輸液泵，通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)和壓力表，其特征在于，溫水浴加熱的的儲(chǔ)液槽中的料液經(jīng)輸液泵，通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)，壓力表，溫度計(jì)到達(dá)裝有改性陶瓷膜的膜組件；真空泵開(kāi)啟后，一部分被蒸發(fā)的料液透過(guò)陶瓷膜的微孔，由真空泵抽取進(jìn)入蛇形冷凝管8，冷卻后進(jìn)入收集瓶；另一部分料液由膜組件流出，回到儲(chǔ)液槽中， 使儲(chǔ)液槽內(nèi)料液變濃。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是(1)本發(fā)明工藝較為簡(jiǎn)單，不需要昂貴儀器與試劑，在任何實(shí)驗(yàn)室皆可實(shí)現(xiàn)，且改性效果良好。(2)改性后的陶瓷膜相對(duì)于有機(jī)膜，具有化學(xué)穩(wěn)定性好，能耐酸、耐堿、耐有機(jī)溶劑，機(jī)械強(qiáng)度大，易沖洗，抗微生物能力強(qiáng)，耐高溫，孔徑分布窄，分離效率高等特點(diǎn)。(3)改性后的陶瓷膜可用于膜蒸餾過(guò)程，極大幅度的擴(kuò)展了膜蒸餾用膜原材料的來(lái)源。

圖1膜蒸餾裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2水滴在陶瓷膜表面的浸潤(rùn)狀態(tài)圖。(a.改性后b.改性前)附圖中的標(biāo)號(hào)分別為1.儲(chǔ)液槽，2.輸液泵，3.轉(zhuǎn)子流量計(jì)，4.壓力表，5.溫度計(jì)，6.收集瓶，7.膜組件，8.冷凝管，9.真空泵。
具體實(shí)施方式以下提供本發(fā)明一種陶瓷膜的疏水改性方法及其應(yīng)用、裝置的具體實(shí)施方式
。實(shí)施例1一種陶瓷膜的疏水改性方法，其具體步驟為(1)有機(jī)前軀體的選取，選取二甲基二氯硅烷((CH3)2SiCl2)作為有機(jī)前軀體，因?yàn)槁仍鼐哂斜砻婊罨艿?，具有高疏水性和抗氧化性?2)改性溶液的制備，將選定的有機(jī)前軀體2mol/L溶于環(huán)己烷中，室溫條件下強(qiáng)烈攪拌12小時(shí)制得改性溶液；(2) Al2O3陶瓷膜進(jìn)行前處理，在NaOH溶液(3mol/L)中浸泡IOmin后用氯仿和去離子水洗凈，置于150°C烘箱中l(wèi)h，后冷卻至室溫；(3) Al2O3陶瓷膜的表面接枝反應(yīng)；將前處理好的Al2O3陶瓷膜浸泡于有機(jī)改性溶液中Mh ；化學(xué)改性反應(yīng)一般發(fā)生在Ι-nSiCl的高活性中心和氧化物膜表面的羥基基團(tuán)之間，從而氧化物膜表面形成Al-O-Si化學(xué)鍵，使其表面形成疏水層；(4)改性Al2O3陶瓷膜的熱處理，將改性Al2O3陶瓷膜表面的改性溶液用去離子水洗凈，置于100°C烘箱中12h ；得到疏水改性后的陶瓷膜。
(5)重復(fù)(3)、(4)步驟，一共進(jìn)行兩次改性。按上述方法改性得到的Al2O3陶瓷膜，通過(guò)接觸角檢測(cè)儀分析，水在改性膜表面接觸角大于100°。二、真空膜蒸餾的應(yīng)用本膜蒸餾裝置由圖1所示恒溫水浴加熱的的儲(chǔ)液槽1中的料液經(jīng)輸液泵2，通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)3，壓力表4，溫度計(jì)5(用于記錄料液進(jìn)入膜組件前的流速、壓力和溫度)到達(dá)裝有改性陶瓷膜的膜組件7 ； 真空泵9開(kāi)啟后，一部分被蒸發(fā)的料液透過(guò)陶瓷膜的微孔，由真空泵9抽取進(jìn)入蛇形冷凝管 8，冷卻后進(jìn)入收集瓶6 ；另一部分料液由膜組件7流出，回到儲(chǔ)液槽1中，使儲(chǔ)液槽內(nèi)料液變濃。膜蒸餾的具體操作步驟如下(1)按裝置圖連接好膜蒸餾裝置；(2)在儲(chǔ)液槽內(nèi)加入待處理料液；(3)加熱待處理料液，溫度范圍為50 80°C，待達(dá)到預(yù)設(shè)溫度穩(wěn)定IOmin左右，開(kāi)啟輸液泵，實(shí)現(xiàn)料液在膜組件和儲(chǔ)液槽之間的循環(huán)，通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)記錄進(jìn)料流速，溫度計(jì)記錄溫度，壓力表記錄輸送壓力，并開(kāi)啟蛇形冷凝管的水循環(huán)；(4)開(kāi)啟真空泵，記錄真空壓，此時(shí)膜蒸餾過(guò)程正式開(kāi)始。一部分料液蒸發(fā)為氣體， 透過(guò)疏水陶瓷膜的微孔，被真空泵抽取進(jìn)入水冷裝置，經(jīng)冷卻后收集，另一部分料液循環(huán)回儲(chǔ)液槽中形成濃鹽水，記錄淡水生成的起始時(shí)間和實(shí)驗(yàn)結(jié)束的終止時(shí)間，計(jì)算真空膜蒸餾過(guò)程的通量；(5)實(shí)驗(yàn)終止后，利用電導(dǎo)率儀測(cè)定收集裝置內(nèi)淡水的電導(dǎo)率，并測(cè)定原料液的電導(dǎo)率，計(jì)算真空膜蒸餾過(guò)程的脫鹽率；(6)改變進(jìn)料濃度，溫度、流速以及真空度，重復(fù)步驟(1) (5)；所述的真空膜蒸餾工藝的操作條件如下真空壓為0. 095Mpa,進(jìn)料溫度為50 80°C，進(jìn)料流量為0. 3m/s，所述的鹽水濃度為3%應(yīng)用實(shí)例2 按照實(shí)施例1所述步驟，將親水性Al2O3陶瓷膜改性為疏水性Al2O3陶瓷膜。所不同的是改性次數(shù)為四次。通過(guò)接觸角檢測(cè)儀分析，膜表面接觸角為115°。應(yīng)用實(shí)例3 按照實(shí)施例1所述步驟，將親水性Al2O3陶瓷膜改性為疏水性Al2O3陶瓷膜。所不同的是有機(jī)前驅(qū)體溶液濃度為4mol/L。通過(guò)接觸角檢測(cè)儀分析，膜表面接觸角為 118° 。應(yīng)用實(shí)例4 按照實(shí)施例1所述步驟，將親水性Al2O3陶瓷膜改性為疏水性Al2O3陶瓷膜。所不同的是有機(jī)前驅(qū)體溶液濃度為4mol/L，改性次數(shù)為四次。通過(guò)接觸角檢測(cè)儀分析，膜表面接觸角為125°。應(yīng)用實(shí)例5 按照實(shí)施例1所述步驟，將親水性Al2O3陶瓷膜改性為疏水性Al2O3陶瓷膜。所不同的是選取FAS (C8F17C2H4Si (OEt)3)作為有機(jī)前驅(qū)體，配制濃度0. lmol/L的溶液，改性次數(shù)為兩次。通過(guò)接觸角檢測(cè)儀分析，膜表面接觸角為110°。應(yīng)用實(shí)例6 按照實(shí)施例1所述步驟，將親水性Al2O3陶瓷膜改性為疏水性Al2O3陶瓷膜。所不同的是選取FAS (C8F17C2H4Si (OEt)3)作為有機(jī)前驅(qū)體，配制濃度0. lmol/L的溶液，改性次數(shù)為四次。通過(guò)接觸角檢測(cè)儀分析，膜表面接觸角為120°。
應(yīng)用實(shí)例7 按照實(shí)施例1所述步驟，將親水性Al2O3陶瓷膜改性為疏水性Al2O3陶瓷膜。所不同的是選取FAS (C8F17C2H4Si (OEt)3)作為有機(jī)前驅(qū)體，配制濃度0. 5mol/L的溶液，改性次數(shù)為兩次。通過(guò)接觸角檢測(cè)儀分析，膜表面接觸角為118°。應(yīng)用實(shí)例8 按照實(shí)施例1所述步驟，將親水性Al2O3陶瓷膜改性為疏水性Al2O3陶瓷膜。所不同的是選取FAS (C8F17C2H4Si (OEt)3)作為有機(jī)前驅(qū)體，配制濃度0. 5mol/L的溶液，改性次數(shù)為四次。通過(guò)接觸角檢測(cè)儀分析，膜表面接觸角為128°。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷膜的疏水改性方法，其特征在于，具體步驟為(1)有機(jī)前軀體的選取選取含氟硅烷，或者氨基硅油或含氯硅烷作為有機(jī)前軀體；(2)改性溶液的制備將選定的有機(jī)前軀體1.0 2mol/L溶于環(huán)己烷中，室溫條件下攪拌，其中，攪拌速率為100 20000轉(zhuǎn)/分鐘，11 13小時(shí)制得改性溶液或?qū)⒂袡C(jī)前軀體配制成水乳液；(3)Al2O3陶瓷膜進(jìn)行前處理在3mol/L的NaOH溶液中浸泡8 l^iiin后，用氯仿和去離子水洗凈，置于140 160°C烘箱中0. 75 1. 25h，后冷卻至室溫；(4)Al2O3陶瓷膜的表面接枝反應(yīng)將前處理好的Al2O3陶瓷膜浸泡于有機(jī)改性溶液中 22 ^h ；化學(xué)改性反應(yīng)發(fā)生在R4_nSiX(X = F，NR2, Cl，OCH3, OC2H5)的高活性中心和氧化物膜表面的羥基基團(tuán)之間，從而氧化物膜表面形成M-O-Si (M代表金屬)化學(xué)鍵，使其表面形成疏水層；(5)改性Al2O3陶瓷膜的熱處理將改性Al2O3陶瓷膜表面的改性溶液用去離子水洗凈， 置于95 105°C烘箱中11 13h ；得到疏水改性后的陶瓷膜。
2.如權(quán)利要求1所述的一種陶瓷膜的疏水改性方法，其特征在于，所述的含氟硅烷為 FAS (C8F17C2H4Si (OEt) 3 或者 C6F13C2H4Si (OMe) 4))。
3.如權(quán)利要求1所述的一種陶瓷膜的疏水改性方法，其特征在于，所述的含氯硅烷為二甲基二氯硅烷((CH3)2SiCl2)。
4.如權(quán)利要求1所述的一種陶瓷膜在膜蒸餾中的應(yīng)用。
5.一種陶瓷膜蒸餾裝置，其包含儲(chǔ)液槽，輸液泵，通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)和壓力表，其特征在于，溫水浴加熱的的儲(chǔ)液槽中的料液經(jīng)輸液泵，通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)，壓力表，溫度計(jì)到達(dá)裝有改性陶瓷膜的膜組件；真空泵開(kāi)啟后，一部分被蒸發(fā)的料液透過(guò)陶瓷膜的微孔，由真空泵抽取進(jìn)入蛇形冷凝管8，冷卻后進(jìn)入收集瓶；另一部分料液由膜組件流出，回到儲(chǔ)液槽中，使儲(chǔ)液槽內(nèi)料液變濃。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種陶瓷膜的疏水改性方法及其應(yīng)用、裝置，具體步驟為(1)有機(jī)前軀體的選?。?2)改性溶液的制備；(3)Al2O3陶瓷膜進(jìn)行前處理，在NaOH溶液(3mol/L)中浸泡8～12min后，用氯仿和去離子水洗凈，置于140～160℃烘箱中0.75～1.25h，后冷卻至室溫；(4)Al2O3陶瓷膜的表面接枝反應(yīng)；(5)改性Al2O3陶瓷膜的熱處理，將改性Al2O3陶瓷膜表面的改性溶液用去離子水洗凈，置于95～105℃烘箱中11～13h；得到疏水改性后的陶瓷膜。該膜最大的用途之一是在膜蒸餾中的應(yīng)用。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)工藝較為簡(jiǎn)單；具有化學(xué)穩(wěn)定性好，能耐酸、耐堿、耐有機(jī)溶劑，機(jī)械強(qiáng)度大，易沖洗，抗微生物能力強(qiáng)，耐高溫，孔徑分布窄，分離效率高等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B01D71/02GK102423641SQ20111037713
公開(kāi)日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者劉典, 楊座國(guó) 申請(qǐng)人:華東理工大學(xué)