面向过程的陶瓷膜材料设计理论与方法_钛白分离用陶瓷膜.pdf
第54卷 第9期 化 工 学 报 Vol.549 2003年9月 JournalofChemicalIndustryandEngineering(China)September2003研究论文面向过程的陶瓷膜材料设计理论与方法()钛白分离用陶瓷膜的优化设计与制备 赵宜江 李卫星 张 伟 邢卫红 徐南平 时 钧(南京工业大学膜科学技术研究所,江苏 南京210009)摘 要 针对钛白粉悬浮体系的分离回收,根据理论模型对陶瓷膜的结构(膜平均孔径)进行了优化设计,并采用粒子烧结法制备了所设计孔径的氧化铝陶瓷膜.通过与其他陶瓷膜的过滤实验对比表明,模型优化设计并制备得到的陶瓷膜具有较高的过滤通量,孔径与通量关系计算值与实验结果有较好的一致性,初步实现了面向应用过程的陶瓷膜的设计与应用.关键词 陶瓷膜 材料设计 面向过程中图分类号 TQ 02818 文献标识码 A 文章编号 0438-1157(2003)09-1295-05THEORY AND METHOD OF APPLICATION-ORIENTEDCERAMIC MEMBRANES DESIGN()OPTIMIZATION AND PREPARATION OF CERAMIC MEMBRANEFOR FIL TRATION OF TITANIA SUSPENSIONZHAO Yijiang,LI Weixing,ZHANG Wei,XING Weihong,XU Nanping and SHI Jun(Jiun Shyr)(Membrane Science and Technology Research Center,Nanjing University of Technology,Nanjing210009Jiangsu,China)AbstractOn the basis of the developed microfiltration model,membrane pore size was optimized to filter theparticle suspensions of titanium pigment.The optimized Al2O3ceramic membrane was prepared by state particlesintering method and characterized by SEM and the gas bubble pressure method.The prepared membrane wassuperior to commercial membranes and the model calculation showed good agreement with the experimentalresults.The method of application2oriented ceramic membranes design was basically completed.Keywordsceramic membrane,material design,application2oriented引 言本文()、()报1,2已经提出了面向应用过程的陶瓷膜材料设计的研究方法,针对颗粒悬浮液体系建立了膜过滤性能与其微观结构之间的数学模型,并从更广泛的范围就膜的结构参数对膜过滤渗透通量等性能进行了全面的预测,为面向应用过程的陶瓷膜材料设计方法的应用奠定了良好的基础.在硫酸法钛白粉生产中,水解、漂白、盐处理等工序都涉及到TiO2粒子的分离回收,其中水洗穿滤已成为影响钛白粉收率的主要原因之一3.围绕这一问题,本所采用陶瓷膜分离技术开展了一系列研究工作,成功开发出钛白粉的回收新技术4.由于定型膜的选择范围有限,主要是通过2002-03-19收到初稿,2002-05-17收到修改稿.联系人:徐南平.第一作者:赵宜江,男,35岁,讲师,博士研究生.基金项目:国家杰出青年科学基金资助项目(No120125618).Received date:2002-03-19.Corresponding author:Prof.XU Nanping.E-mail:npxu njuct1edu1cnFoundation item:supported by the Science Funds for OutstandingYoung Researchers from National Natural Science Foundation of China(No120125618).1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/两种孔径陶瓷膜的对比实验确定了其中一种孔径的膜优于另一种,并不能确定是否是最优的选择.本文采用面向过程的设计思想和方法,在前文的基础上进行陶瓷膜结构的优化设计,并采用粒子烧结法制备符合设计要求的陶瓷微滤膜,通过与商品化陶瓷膜的应用对比来考察所设计制备的陶瓷膜的性能,从而在实际体系上进行面向应用过程的陶瓷膜材料设计的验证.1 陶瓷膜的结构设计针对颗粒体系的分离回收,影响陶瓷膜过滤通量的结构参数主要是孔径、厚度、孔隙率等,合适的结构参数能使陶瓷膜具有高的过滤通量.膜厚度以及孔隙率对膜通量的影响已在本文()报2有深入分析,本文即以膜厚度20m、孔隙率30%为依据,在测定实际体系的基本性质基础上以稳态通量为目标预测不同膜孔径对其宏观过滤性能的影响,进行最优膜孔径的计算预测.优化计算条件如下:TiO2悬浮体系的浓度为2 gL-1;微 滤 操 作 压 差 为011 MPa,流 速 为3 ms-1,温度为25;颗粒粒径分布采用英国Malvern公司Mastersizer2000型激光粒径仪测定,颗粒D50粒径为0189m,粒径分布如图1所示.Fig11Particle size distribution of TiO2suspensionFig12Prediction of effect of pore size on permeate flux 在此条件下计算获得的膜孔径对膜通量的影响结果如图2所示.随膜孔径的增大,过滤通量并非一直增大,当015m左右时膜过滤通量最高,孔径进一步增大膜通量反而下降.2 优化陶瓷膜的制备与表征根据上述的陶瓷膜结构设计,以膜孔径为015m、膜厚度为20m、孔隙率大于30%为目标采用粒子烧结法(state2particle2sintering method)进行最优陶瓷膜的制备.陶瓷膜制备过程中制膜粉体粒径、制膜液配方、涂膜工艺、烧结过程等都会对膜结构产生影响,在本所大量研究工作5,6的基础上选择了2m左右的氧化铝微粉(D50粒径为2105m,粒径分布如图3所示),采用合适的添加剂在一定工艺下制成了稳定的悬浮液,在自制的装置上用浸浆法进行涂膜,经干燥,在合适温度下烧结成膜.采用同样工艺制备了无支撑膜,以测定膜的孔隙率.通过SEM、气体泡压法对所制备的非对称陶瓷膜进行了结构表征,结果如图4和图5所示.Fig13Particle size distribution of alumina powderFig14Pore size distribution of prepared membrane6921 化 工 学 报 2003年9月 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/(a)surface(b)cross2sectionFig15SEM photos of prepared membrane 由图4可见,上述工艺制得的陶瓷膜平均孔径约为0153m.从图5的表面SEM照片来看,膜表面完整性较好;由断面SEM照片来看,膜厚度约为30m.无支撑膜的测定表明膜孔隙率约为30%,基本上达到了设计要求.3 优化陶瓷膜的过滤性能考察311 过滤性能的比较将制得的微滤膜用来进行TiO2悬浮体系的固液分离,并与现有的定型陶瓷微滤膜(0115,018和112m)进行过滤性能的比较,测定了纯水通量、悬浮液过滤通量以及渗透液浊度变化情况.表1是4种膜的纯水通量值,图6是4种孔径膜通量随时间的变化关系,图7是孔径对稳态通量影响的理论与实验值比较,图8是渗透液浊度(D)随时间的变化比较.由表1可见,孔径增大,膜的纯水通量增大,这与文献1中理论计算一致.而在实际的悬浮体系微滤过程中这一关系因膜污染的存在而改变,由图6和图7可见,根据理论计算预测而制备的最Table 1Pure water flux of commercial and optimummembrane(011 MPa,25)dm/mPure water flux/Lm-2h-1011575001533500018650011212500Fig16Decay of permeate flux with timeFig17Effect of pore size on permeate fluxFig18Variance of permeate turbidity with time优陶瓷膜确实具有高的过滤通量,其过滤通量随时间衰减较慢,稳态通量高于其他定型的商品膜.由7921 第54卷 第9期 赵宜江等:面向过程的陶瓷膜材料设计理论与方法()1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图7中计算结果和实验结果比较可见,膜通量与膜孔径的变化关系理论值与实验结果符合较好.由图8可见,4种膜过滤的渗透液的浊度变化除初始值有所不同外,20 min后基本相同,都低于015NTU,表明所采用的陶瓷膜具有优良的截留率.312 操作条件的影响影响陶瓷膜过滤通量的操作参数有操作压差、膜面流速和浓度等.本文采用上述过滤性能最优的陶瓷膜进一步考察了操作压差、膜面流速和浓度对膜通量的影响,并与模型计算结果进行对比.结果见图9图11.可以看出,在实验范围内,随着操作压差增大、流速增大、悬浮液浓度减小,膜渗透通量升高.这说明,压力增大时,推动力增大产生Fig19Effect of Transmembrane pressure on fluxFig110Effect of crossflow velocity on fluxFig111Effect of suspension concentration on flux的影响占主要地位而使膜通量增大;在一定范围内,流速的增大有利于减少滤饼沉积,过滤阻力减小而使膜通量增大;悬浮液浓度增大,相应地可沉降颗粒的数量增多,而且颗粒间的相互作用力增大,使滤饼沉积增加,过滤阻力增大而导致膜通量减小,由于滤饼沉积还受主体错流流动的剪切作用影响,因此初始低浓度范围内浓度增加对膜通量影响显著,较高浓度范围内浓度增加膜通量的减小趋于缓和.同时可见,采用文献1模型的条件,计算结果与实验结果具有较好的一致性,进一步证明了模型的实用性,也为微滤过程操作条件的优化奠定了基础.4 结 论(1)根据TiO2悬浮体系的性质,从理论上设计选择了具有较好过滤性能的陶瓷膜结构参数(平均孔径).(2)采用粒子烧结法进行了陶瓷微滤膜的制备,通过泡压法、SEM对膜进行表征,证明所制得的膜基本达到了设计要求.(3)通过分离实验的考察证明理论设计并制备的陶瓷膜确实具有较好的分离性能,膜过滤通量高于现有的定型商品陶瓷膜.膜通量与膜孔径关系的理论预测与实验结果吻合较好,操作压差、膜面流速等对膜通量的影响关系实验与理论预测相一致,进一步证明了该理论和方法的正确性.(4)通过钛白粉实际体系的应用验证,在颗粒体系分离过程中实现了面向过程的陶瓷膜材料设计方法的应用,证明了面向应用过程的陶瓷膜材料设计理论和方法的可行性和科学性,为该理论和方法的深入研究和应用奠定了基础.References1Xu Nanping(徐南平),Li Weixing(李卫星),Zhao Yijiang(赵宜江),Xing Weihong(邢卫红),Shi Jun(时钧).Theory andMethod of Application2oriented Ceramic Membranes Design()Simulation ofRelation BetweenMembranePermeability andMicro2structure.Journal of Chemical Industry and Engineering(China)(化工学报),2003,54(9):128412892Li Weixing(李卫星),Zhao Yijiang(赵宜江),Liu Fei(刘飞),Xing Weihong(邢卫红),Xu Nanping(徐南平),Shi Jun(时钧).Theory and Method of Application2oriented Ceramic MembraneDesign()Prediction ofEffects ofMembraneStructureParameters on Microfiltration of Particle Suspension.Journal of8921 化 工 学 报 2003年9月 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/Chemical Industry and Engineering(China)(化工 学 报),2003,54(9):129012943Chen Yue(陈跃).Discussion on Approach of Increasing Yield inTitanium White Production.Painting and Coating Industry(涂料工业),1997(3):22234Xing Weihong(邢卫红),Tong Jinzhong(童金钟),Xu Nanping(徐 南 平),Shi Jun(时 钧).Study onUsingCeramicMicrofiltration Membranes to Recover Titanium Dioxide Particlesfrom Wastewater Based on Pilot Test and Field Test.ChemicalEngineering(China)(化学工程),2001,29(3):44485Huang Pei(黄培).Preparation,Characterization and Applicationof Alumina Ceramic Membrane:dissertation(学位论文).Nanjing:Nanjing University of Chemical Technology,19966Wang Pei(王沛).Preparation and Industrialization of AluminaMicrofiltration Membrane:dissertation(学位论文).Nanjing:Nanjing University of Chemical Technology,1997信息与交流离子液体研究开拓绿色化学新途径 日前从中国科学院兰州化学物理研究所获悉,该所绿色化学研究中心邓友全研究员带领的课题组利用离子液体负载碱催化剂进行温室气体二氧化碳的催化活化,成功实现了以二氧化碳取代剧毒光气和一氧化碳应用于二取代脲的合成,不仅减少了温室气体的排放,同时为非光气合成异氰酸酯提供了一条新途径,使我国在离子液体研究领域又取得了新进展。室温离子液体与其他固体或液体材料相比具有独特的物理化学性质及功能,是一类新型的“软”功能材料或介质。离子液体具有优良的可设计性,可获得“需求特定”或“量体裁衣”的离子液体,使其在分离纯化、核废料回收、特种光学材料领域显示出良好的应用前景。离子液体与现有的超临界流体、电化学、微电子等结合,使这些技术的发展空间扩大且功能更趋完善,已从发展“绿色化学”领域快速扩展到功能材料,如电光与光电材料、润滑材料、太阳能储存及太阳能电池关键材料等。据介绍,除了在离子液体催化体系中进行非光气合成异氰酸酯化学品的研究以外,该绿色化学研究中心目前还开展了其他工业应用研究,如离子液体中的Beckmann重排反应。利用HOP法生产己内酰胺工艺中关键反应过程是环己酮肟Beckmann重排,现有工业生产采用发烟硫酸重排工艺,硫酸与液氨消耗大,并副产大量硫铵,不仅增加生产成本,而且腐蚀严重,影响环境,开发环境友好的重排工艺是国际上非常重视的研究课题,也是国内企业迫切需要解决的问题。该课题组在国际上首次实现了离子液体中环己酮肟的Beckmann重排,为实现绿色工艺提供了新的途径。其次是清洁汽油生产方面的研究。目前,国内多数炼油企业生产的汽油烯烃超标,硫含量也远高于目前的国际标准。而使用离子液体催化体系直接进行汽油的烷基化和异构可以将汽油中烯烃含量从50%左右降低到25%左右,目前该成果已申请国家专利并获授权。此外,他们还设计合成出对有机硫具有选择能力的离子液体,通过选择萃取降低汽油中的硫含量。(摘自“中国化工信息网”)9921 第54卷 第9期 赵宜江等:面向过程的陶瓷膜材料设计理论与方法()1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/
