纳米凹凸棒石制备微滤膜过程中烧结温度的影响研究(2)

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结论 17

参考文献 18

致谢 21

1 前言

1.1 陶瓷膜的发展及其特点

膜是具有选择性分离功能的材料，既有分离、净化、浓缩的功能，又有节能、环保、高效、分子级过滤等特征[1]。根据材料的不同，膜可分为无机膜和有机膜。无机膜的主要应用有：（1）在水处理中的应用，如用于废水的处理；（2）混合气体的净化及分离，如高温烟气中二氧化硫的脱除，炼油厂尾气中氢的回收等[2,3]；（3）膜催化反应器，如将多孔陶瓷装置装在汽车排气管中，可将氮氧化物等有害气体转化成无害气体排除，从而达到净化空气的目的[4,5]。在工业上，无机膜的应用集中于液相分离领域，无机膜在液相分离方面的应用主要是微滤和超滤[6]，其中使用最多的是陶瓷膜。随着膜分离应用领域的不断扩大，人们对膜分离技术的要求越来越高，包括玻璃、陶瓷和无机高分子在内的无机材料已成为新型膜材料开发研究的一个重要方向，其中陶瓷的研究更是成为一大热点。与当前工业上应用较多的有机膜相比，陶瓷膜具有以下优势[7,8]：（1）抗氧化性好，不易被氧化；（2）化学稳定性好，在酸、碱或有机溶剂下不易发生性能变化；（3）机械强度高，在大的压差下使用不会变形，且耐磨耐冲刷；（4）抗微生物能力好，有很好的抑菌作用；（5）耐高温，可在高温下使用。

按照膜的致密程度分类，多孔膜是陶瓷膜的一种。多孔膜一般具有多层复合结构，它的底层是几毫米厚的具有一定机械强度的大孔陶瓷支撑体，支撑体上有一层或多层起分离作用的薄层，顶层的细孔平均孔径在0.02~10μm的称为微滤膜[9~11]。使用以陶瓷纤维构建的膜分离层，其总孔隙率接近陶瓷粒子分离层的两倍，可有效降低渗透阻力、提高膜通量，同时陶瓷纤维微滤膜仍具有陶瓷膜固有的耐高温耐腐蚀、机械强度高结构稳定、清洁状态好的特点[12~14]。目前开发的陶瓷膜材料有氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化钴等[15]，这些材料在实际应用中成本高、制备难度大，不利于大规模生产。所以寻找出一种性能高，价格低廉的新型膜材料具有重大意义。论文网

1.2 凹凸棒石简介

凹凸棒石粘土（Attapulgite, Palygorskite），简称凹凸棒土或凹土，是以凹凸棒石为主要成分的多孔型链层状过渡结构的含水镁铝硅酸盐矿物[16]。凹凸棒石又名坡缕石,属于典型的纳米-亚微米非金属矿，其比重轻（约1.6），性脆（摩氏硬度2-3级），潮湿时有粘性和可塑性，干燥收缩小，且不产生龟裂，吸水性强[17~19]。凹凸棒石内部多孔道，比表面积大，可达350m2/g以上，大部分的水分子、阳离子和一定大小的有机分子均可直接被吸附进孔道中[20,21]。此外，凹凸棒石电化学性能稳定，不易被电解质所絮凝，在高温和盐水中稳定性良好。凹凸棒石具有独特的晶体结构，放大4万倍的凹凸棒石晶体形态呈棒状和纤维状是具有纳米通道的天然纳米结构矿物材料[22]。

凹凸棒石理论化学式为：Mg5Si8O20(OH)2(OH2)4·4H2O，该式由Bradley[23]在1940年首次通过XRD分析资料计算得来，并由此确定了凹凸棒石的晶体结构模型。

凹凸棒石的晶体结构[24]（001面投影）

图 1-1 凹凸棒石的晶体结构[24]（001面投影）

1.3 凹凸棒石的研究现状及发展前景

凹凸棒石矿物广泛存在于世界各地，但具有的工业开采意义的矿床比例不大。在我国江苏、辽宁、山东等地探明许多凹凸棒石矿点，仅江苏省淮安市盱眙县已探明凹凸棒石矿资源储量为1.03亿吨，占全国已探明凹凸棒石储量的73％，占全世界已探明凹凸棒石储量的44％，占全球总储量的近50%，远景储量达11.7亿吨[25]。由于凹凸棒石粘土具有特殊的纤维结构、独特的分散、耐高温、耐盐碱等良好的胶体性质和较高的吸附脱色能力，并具有有一定的可塑性和粘结力[26]，因而凹凸棒石已在吸附、电化学、无机-有机等领域中得到了广泛的应用，素有“千土之王”、“万用之土”的美誉。