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如何对陶瓷膜进行疏水改性?
2023年11月27日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:225
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近年来,膜分离技术作为处理污水的新型技术之一被广泛研究和应用,此技术相较其他技术,如采用重力分离、混凝、破乳、吸油撇油、生物降解、絮凝吸附、离子交换等常规分离工艺具有多方面优势,如选择性强、能耗低、应用范围广、环境友好、设备简单、操作方便等。油水分离膜根据材料可分为有机膜和无机膜两类,有机膜在科学研究和商业领域有着广泛的应用。与有机膜相比,无机陶瓷膜化学和热稳定性强,具有优异的耐污和抗压性能,易于清洗、机械强度高、寿命长,因此,使用陶瓷膜进行油包水乳状液分离是一大趋势。疏水改性可增强陶瓷膜对油的润湿性能,提升油包水乳液的分离效率,增强膜的化学稳定性和耐用性。


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油包水(W/O)乳液体系的形态是水以小液滴的形式分散于油中,膜分离过程中的膜污染现象导致渗透通量及截留率随使用时间的延长而下降,缩短膜的使用寿命,限制了膜分离技术的应用。对陶瓷膜表面的改性可以提高膜的特定选择性和分离效果,减少膜表面与不必要进料分子之间的相互作用,从而在一定程度上减少膜污染。因此,分离油包水乳状液通常选择疏水膜,利用膜表面的疏水亲油特性,允许油滴通过,截留水滴,从而达到油水分离的效果。

陶瓷膜表面疏水改性

陶瓷膜表面疏水改性通常通过结合或者附着疏水材料,选择较低的表面能、合适的粗糙度和表面结构来实现,比如利用硅烷或者硫醇等提供表面化学性质,微米或纳米结构的引入获得粗糙度较好的表面,提高膜表面的疏水效果,增强分离性能。

陶瓷膜表面疏水改性常用方法有3种:浸渍法、溶胶凝胶法以及化学气相沉积法。

1.浸渍法

浸渍法(Impregnation method)无需特殊设备,只需将原始陶瓷膜直接浸泡在疏水性物质溶液中,方法简便直接,容易操作,成本较低。使用浸渍法对陶瓷膜表面进行疏水改性,通常是利用疏水性物质含有的官能团与陶瓷膜表面羟基通过缩合反应进行连接。

以硅氧烷作改性剂为例,浸渍法操作步骤为:将有机硅烷溶解在水或乙醇等溶剂中进行水解,获得具有反应活性的硅醇溶液;将预处理的陶瓷膜浸泡在该溶液中,反应性硅烷分子可被吸附在膜表面,从而获得具有疏水特性的膜。

 

浸渍法改性技术路线图

疏水效果是膜表面粗糙度和表面能共同作用的结果,在对陶瓷膜进行疏水改性的研究中,通常先在陶瓷膜表面提供一定的粗糙微纳米结构,再对其进行低表面能的修饰。除使用硅烷偶联剂进行改性外,硫醇也是降低膜表面能的优选物质。

综上所述,使用浸渍法对陶瓷膜表面进行疏水改性的操作及步骤较为简单,受改性剂种类、改性剂浓度、浸渍时间、浸渍次数以及陶瓷膜表面的粗糙度影响较大,且由于发生反应的低表面能物质数量取决于自身浓度及陶瓷膜表面羟基数量,因此该方法对陶瓷膜表面具有反应活性的羟基也有较大依赖性。

2.溶胶-凝胶法

溶胶 凝胶法(Sol-gel technique)以含高化学活性组分的化合物作为前驱体,在液相下将这些原料均匀混合,经过水解、缩合等化学反应,在溶液中形成稳定的透明溶胶体系,溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合,形成三维网络结构的凝胶,凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。

使用溶胶-凝胶法对陶瓷膜进行疏水改性,可在膜表面形成较大的粗糙结构,且可直接结合低表面能化学物质。不过在溶胶溶液中较早引入有机硅烷可能会导致形成大体积聚合物,从而导致改性效果较差。


溶胶凝胶法改性技术路线图

与其他方法相比,溶胶-凝胶法可制备出稳定且分离效果好的疏水表面,但该方法需要较长时间制备溶胶溶液,过程中有可能形成大分子聚合物,影响改性效果。一般涂覆完成后还需二次烧结,工艺较为繁琐,且二次烧结时温度过高会破坏膜层结构,降低膜的疏水性及稳定性,改性膜孔径会随着溶胶凝胶涂覆的次数及时间增加而减小。此外,溶胶剂对胶体制备过程中胶体的形成有重要影响,进而影响成膜质量,涂覆时间和次数、环境温度和湿度、升温速度、煅烧温度和煅烧时间均对于后续涂覆干燥过程产生较大的影响。目前可通过减少高温烧结步骤、一次性在膜层表面形成粗糙结构并结合低表面能物质等方式简化工艺,减少高温对膜层结构的破坏。

3.化学气相沉积法

化学气相沉积法(chemical vapor deposition,CVD)利用气相反应物在基材表面沉积后形成具有特定化学性质的固态膜。该方法具有薄膜组成可控、制备膜层重复性好、膜层均匀、适用范围广、不受基材形状限制以及对基体材料无损害等优点,是改变膜表面性能和微观结构的有效方法。使用该方法对陶瓷膜进行疏水改性时,需将陶瓷膜置于密闭容器中,在有机硅烷的沸点温度下加热足够长时间。通入有机硅烷蒸气与陶瓷膜表面的羟基发生反应,反应原理与浸渍法相同

一般情况下,为了使有机硅烷试剂可以充分利用,需选择与陶瓷膜片尺寸相近的封闭容器,使得有机硅烷蒸气可与陶瓷膜的接触及反应最大化。


化学气相沉积技术路线图

化学气相沉积法是在膜表面制备微纳米颗粒及纳米棒,形成有序微观结构的首选工艺。经化学气相沉积法疏水改性的陶瓷膜具有膜层均匀、稳定性好、适用范围广等优点,但同时存在疏水膜层厚度薄,机械性能不足,在外力冲击下易产生裂纹、气泡等缺陷。水滴和污染物从裂纹渗透进入膜层,破坏其内部结构,降低膜层的疏水性能与稳定性。部分参与沉积反应的有机硅烷具有毒性,将对人体和环境造成危害。另外,该方法所需反应温度较高,随之而来的高能耗与高成本限制其在实际工业生产中的应用。

三种改性方法优劣势对比


参考来源:

1.油水分离陶瓷膜表面疏水改性方法研究进展,王炳威、黎想、张瑛洁、程喜全、王凯(膜科学与技术);

2.陶瓷膜的低成本制备及其油水分离应用研究进展,于庆海、朱家明、赵倩倩(膜科学与技术)。


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