[发明专利]高通量平板陶瓷基碳膜的制备及应用

说明书

高通量平板陶瓷基碳膜的制备及应用，其属于膜法水处理技术领域。采用相转化及高温烧结技术制备高通量平板陶瓷膜，采用浸渍‑煅烧‑还原法负载纳米催化剂，优化碳纳米管的合成条件，在平板陶瓷膜载体上形成的碳纳米管膜具有更高的网络孔隙率、更均匀的分布，所形成的碳纳米管网状结构膜不仅具有高的孔隙率，同时保证了其良好的导电和光吸收性能。借助外加光源或电源，通过界面加热膜蒸馏工艺，将该复合膜用于处理不同浓度盐水，相较于传统膜蒸馏工艺，在保证高截盐率的条件下，其具有更高的水通量、更小的温度极化和更轻的膜污染，本发明提供了一种高效、节能的含盐废水膜法处理工艺。

技术领域

本发明涉及一种高通量、高导电和光吸收性能的平板陶瓷基碳膜制备及界面加热膜蒸馏含盐废水处理工艺，其属于膜法水处理技术领域。

背景技术

水资源短缺是制约人类可持续发展的全球性问题之一，随着海水淡化的进行会产生很多高盐度的废水，这类废水如果直接排放，不仅危及生态环境，造成水环境污染，还浪费其中的水和盐类资源，同时随着工业化水平的提高，工业含盐废水排放量也越来越多，含盐废水的高效处理尤为迫切。

与其他水处理工艺相比，膜蒸馏工艺更适合处理含盐废水，尤其高盐废水，膜蒸馏过程中，在蒸气压差的推动作用下，进料侧水蒸发所产生的蒸汽通过膜孔进入冷凝侧，蒸发所需热量由进料侧提供，所需的汽化潜热以及通过膜的传导热会导致在原料液和膜面之间产生温度梯度，使得跨膜温差小于进料侧与冷凝侧温差，传质推动力减小，这一现象称为温差极化。传统膜蒸馏也有膜污染的问题。温差极化现象和膜污染的存在会使跨膜传质的推动力减小，通量降低。因此，要提高膜通量，必须削弱温差极化和膜污染，强化温度边界层传热，界面加热的方式能有效缓解温差极化和膜污染的问题，显著提高膜蒸馏性能。

碳纳米管作为新兴碳材料有着广泛的应用，在可见光照射条件下吸收率可达98％，以及良好的焦耳热效应，是一种极具潜力的界面光电加热材料。现有膜蒸馏工艺的膜材料存在诸多亟待解决的问题，如常用的管状膜构型光照面积受限，传统的平板陶瓷膜及其平板陶瓷基碳膜的孔隙率低。

发明内容

综合考虑以上问题，本发明通过提高陶瓷基底孔隙率和渗透性，改变碳纳米管负载状态，充分利用膜蒸馏工艺过程中的光电界面加热效应，来提高通量、减缓温差极化和膜污染。我们使用相转化-高温烧结法制备平板陶瓷膜，以钛酸镍为催化剂，并沉积生长平板陶瓷基碳膜，其表现出更好的疏水能力以及较高的气通量；同时陶瓷基碳膜具有较高的光吸收和导电能力。

本发明的技术方案为：高通量平板陶瓷基碳膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)多孔平板陶瓷膜的制备

将聚醚砜：N-甲基-吡咯烷酮按质量比1:2-8混合，再加入聚乙烯吡咯烷酮，三种有机物在行星球磨机内搅拌，形成稳定均匀的聚合物混合液后，再加入陶瓷粉体，继续球磨，得到陶瓷浆料；浆料中聚醚砜与N-甲基-吡咯烷酮的质量分数为30-60wt.％，聚乙烯吡咯烷酮质量分数为0.5-10wt.％，余量为陶瓷粉体，上述陶瓷粉料采用氧化铝、氧化锆、碳化硅、氧化钛、莫来石、尖晶石；

将陶瓷浆料脱泡后倒在干净的玻璃板上，涂膜使浆料均匀地铺展在玻璃板表面，接着将其转移至去离子水中充分交换并固化形成生坯，自然干燥后置于马弗炉中升温至1100-1800℃，煅烧得到多孔平板陶瓷膜；

(2)催化剂溶液的制备

以硝酸镍和钛酸四丁酯为原料，乙醇为溶剂，柠檬酸为络合剂；按硝酸镍：钛酸四丁酯：柠檬酸的摩尔比为(0.5-5):(0.5-5):(0.5-5)，混合搅拌均匀，再加入去离子水后用氨水调pH至中性，稀释至镍离子的浓度为1-5mol/L，制得催化剂溶液；

(3)平板陶瓷基碳膜的制备