Y2O3-ZrO2/Al2O3超滤膜的研制及其传质机理的研究

论文摘要

氧化锆（ZrO2）膜由于其具有良好的化学与热稳定性,良好的催化和选择透氧性,近年来备受关注。溶胶-凝胶法（Sol-Gel）是制备氧化锆多孔膜最主要的方法之一。采用溶胶-凝胶法在氧化铝（Al2O3）基体上以氧氯化锆（ZrOCl2）为前驱体,硝酸钇（Y（NO3）3）为晶型稳定剂,六次甲基四胺（（CH2）6N4）为水解促进剂,制备掺钇氧化锆（YSZ）超滤复合膜。研究溶胶-凝胶法制备YSZ超滤复合膜的工艺参数对膜的结构和性能的影响。试验结果表明添加1/4体积等浓度水解促进剂、5%聚乙烯醇（PVA）和进行一定时间的超声处理可制得粘度适宜、涂膜性能良好的溶胶;未掺钇氧化锆的晶相转变温度较常规制备工艺有很大提高,在630℃才发生四方到单斜晶相的转变;通过对YSZ粉末测试结果表明,8%Y（NO3）3对ZrO2晶型起到很好的稳定作用,在700℃、800℃及900℃的热处理过程中ZrO2晶相始终保持四方晶相。从干燥工艺、涂膜时间、烧结工艺及涂膜次数等工艺参数中找到最佳组合,确定YSZ膜主要结构参数,并借助扫描电镜和气体渗透等测试手段对YSZ超滤膜的表面形貌、晶型稳定性及气体的渗透特性等进行表征和分析,结果制得了平均孔径约为20nm、膜厚度为5μm的超滤膜,为YSZ超滤膜的应用打下基础。利用简化的尘气模型和Henis阻力模型建立了YSZ超滤复合膜的渗透阻力模型,并通过试验验证了模型。利用阻力模型考察了膜结构参数（顶层有效孔隙率、厚度及孔径）对整个膜传质阻力的影响。结果表明膜顶层结构参数对氮气在整个复合膜的传质阻力影响很大。特别是当孔径和有效孔隙率都比较小时,随着膜顶层厚度的增加,膜顶传质阻力成为整个复合膜传质阻力的重要部分。这些研究结果对膜的制备具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 无机膜概况
• 1.1.1 无机膜的产生及发展概况
• 1.1.2 无机膜特性与存在的问题
• 1.1.3 无机膜的类型与结构
• 1.1.4 无机超滤膜及其应用
• 1.2 氧化锆膜
• 1.2.1 氧化锆的晶型转化及晶型稳定
• 1.2.2 氧化锆膜的特点
• 1.2.3 氧化锆多孔膜的制备
• 1.3 溶胶-凝胶制膜工艺
• 1.3.1 溶胶-凝胶法的发展历史
• 1.3.2 溶胶-凝胶法制备超滤膜的基本原理及过程
• 1.3.3 溶胶-凝胶法存在的问题及解决方案
• 1.4 无机膜的性能表征
• 1.5 无机膜的存在问题和发展前景
• 1.6 研究目的及内容
• 1.6.1 研究目的
• 1.6.2 研究内容
• 2 试验材料及试验方法
• 2.1 试验仪器及试剂
• 2.1.1 试验仪器和设备
• 2.1.2 试验原料
• 2.2 YSZ 超滤膜制备过程
• 2.2.1 基体预处理
• 2.2.2 掺钇氧化锆溶胶的制备
• 2.2.3 涂膜
• 2.2.4 干燥
• 2.2.5 烧结
• 2.3 超滤膜的表征方法
• 2.3.1 孔隙率的测定
• 2.3.2 氧化锆超滤膜平均孔径的测定
• 2.3.3 顶层膜厚度的测定
• 2.3.4 SEM 分析
• 2.3.5 XRD 分析
• 2.3.6 TG-DTA 分析
• 3 试验结果与讨论
• 3.1 溶胶制备条件对涂膜液的影响
• 3.2 六次甲基四胺的加入量对溶胶的影响
• 3.3 聚乙烯醇的添加对成膜的影响
• 3.4 超声波对溶胶制备及成膜的影响
• 3.5 YSZ 膜烧结程序的选择
• 3.5.1 烧结温度
• 3.5.2 升温速率
• 3.6 制膜方式的选择
• 3.7 涂膜次数对YSZ 超滤膜结构的影响
• 3.8 涂膜次数对YSZ 膜气体渗透率的影响
• 3.9 小结
• 4 复合膜阻力模型的建立及传质阻力分析
• 4.1 气体通过复合膜传质理论
• 4.1.1 气体通过复合膜传质机理
• 4.1.2 气体在复合膜中的传质阻力模型
• 4.2 超滤复合膜气体阻力模型的建立
• 4.2.1 尘气模型的简化
• 4.2.2 复合膜阻力模型的建立
• 4.3 复合膜界面压力的计算
• 4.4 阻力模型验证
• 4.5 复合膜传质阻力分析
• 4.5.1 顶层膜孔径一定的情况
• 4.5.2 顶层有效孔隙率一定的情况
• 4.5.3 顶层厚度一定的情况
• 4.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 聚乙烯醇溶液的配制
• 致谢
• 导师简介
• 作者简介
• 学位论文数据集