化学工程综合

超声强化铁碳微电解-Fenton法降解硝基苯废水

余丽胜，焦纬洲，刘有智，等

摘要：目的：铁碳微电解还原法是一种处理硝基苯（nitrobenzene，NB）废水的有效方法：然而铁碳微电解床在处理有机废水的长期运行过程中，常存在铁碳填料易钝化、难连续可用的问题。而铁碳微电解法只能将硝基苯还原为苯胺，无法进行深度氧化降解。因此采用超声波（ultrasound，US）强化铁碳微电解-Fenton法降解硝基苯废水。方法：实验所用铁屑（Fe0）先用10%的NaOH溶液浸泡30 min，再用10%稀H2SO4浸泡30 min，去除铁屑表面油类杂质以及氧化层，再用去离子水洗涤至中性；活性炭（granular activated carbon，GAC）先用饱和硝基苯以及苯胺溶液吸附至饱和，超声条件下达到吸附解吸平衡，烘干备用。反应前，将一定量铁屑和炭屑加入250 mL石英杯反应器中，设置恒温水浴锅温度为20℃；量取100 mL的300 mg/L的硝基苯溶液作为待处理废水，加入反应器，将超声探头伸入液面2 cm，超声处理80 min（超声频率40 kHz）。反应结束后，将反应器内溶液倒出抽滤。取样测定硝基苯、苯胺、TOC、Fe2+、Fe3+的浓度。结果：实验先用Fe0/GAC分别在有无超声的条件下降解NB废水，分别在反应的80 min和160 min取Fe0、GAC进行SEM与EDS表征。结果表明Fe0/GAC处理80 min和160 min时，Fe0表面呈块状分布且块间有较大沟壑，GAC表面有较多白色杂质且孔隙较少；US/Fe0/GAC处理过后的Fe0和GAC表面较为干净，Fe0呈片层状且十分粗糙且 GAC表面可观察到清晰的孔隙。EDS结果表明，US/Fe0/GAC处理的 Fe0与 GAC表面铁元素和碳元素含量均高出 20%左右，氧等其他元素含量则较低。超声强化Fe0/GAC-Fenton实验结果表明，单纯Fe0/GAC对4批废水的硝基苯除率最高只有47.49%，苯胺浓度、Fe2+、Fe3+浓度最高值分别为71.12 mg/L、0.52×10-3mol/L、0.69×10-3mol/L，TOC去除率只有1%左右；而US/Fe0/GAC处理后，4批废水的硝基苯去除率稳定在90%以上，TOC去除率稳定在10%，Fe2+、Fe3+浓度分别稳定在 0.9×10-3、1×10-3mol/L以上，苯胺浓度在170～180 mg/L。为了进一步深度降解苯胺废水，向苯胺废水中投加2 mL 30% H2O2溶液与废水中游离的Fe2+构成Fenton法进一步深度降解废水。结果表明单纯 Fe0/GAC处理后的废水经 Fenton法氧化降解后，废水的硝基苯与 TOC的去除率仅略微升高且仍随处理批数增加而降低；而 US/Fe0/GAC处理后的废水经 Fenton法氧化降解后，TOC去除率大幅升高，达到60%以上，NB去除率接近100%。此外，单因素实验还探究了 H2O2投加量，pH以及 H2O2投加次数对US/Fe0/GAC-Fenton的影响。结果表明：TOC的去除率随 H2O2投加量的增加呈现增加后降低的趋势，而硝基苯去除率均达到100%；pH对NB去除率无显著影响，但对对废水TOC去除率具有显著地影响，当pH=4时TOC去除率达到最大；TOC的去除率随着H2O2投加次数的增加而增大。因此与一次性投加相比，分批次投加具有更好的处理效果。结论：超声能够有效去除铁碳填料表面杂质，使其表面反应活性位点连续再生，保证US/Fe0/GAC-Fenton法连续多次高效运行。单纯Fe0/GAC法连续处理4批硝基苯废水时，硝基苯去除率从47.49%降至14.90%；而US/Fe0/GAC对硝基苯去除率均稳定在90%以上。Fe0/GAC-Fenton法连续处理4批硝基苯废水时，硝基苯最终去除率从69.4%降至31.66%，TOC去除率也从48.11%降至19.2%；而US/Fe0/GAC-Fenton法对硝基苯去除率均近至100%，TOC去除率均稳定至60%以上。超声在整体上强化了Fe0/GAC-Fenton法降解硝基苯废水的效率。此外，采用US/Fe0/GAC-Fenton法降解300 mg/L硝基苯废水，适宜操作条件为：H2O2总投加量为4 mL并分五次添加，US/Fe0/GAC的出水pH调为4，反应30 min，最终硝基苯去除率到达100%，TOC去除率可达75%。

来源出版物：化工学报, 2017, 68(1): 297-304

入选年份：2017

多孔氢键金属—有机框架材料对乙炔和二氧化碳的吸附分离

谢丹妍，邢华斌，张治国，等

摘要：目的：乙炔（C2H2）是石油化工和电子工业中的重要基础原料。烃类热裂解制乙炔的过程会产生大量的反应副产物，其中就包括二氧化碳（CO2）。由于C2H2和 CO2具有相似的三维尺寸（0.332 nm×0.334 nm×0.570 nm和 0.319 nm×0.334 nm×0.536 nm）和沸点（-84℃和-78.5℃），传统的低温精馏和吸附分离难以实现二者的有效分离。氢键有机框架材料（hydrogen-bonded organic frameworks，HOFs）利用氢键作用构建多孔框架，具有易于纯化、再生和重结晶等优点，近年来受到科研人员的广泛关注。然而，HOFs材料结构内部的氢键作用较为脆弱，其稳定性较差，严重制约其工业应用。为提高HOFs材料结构稳定性，论文将金属-有机配合物作为构筑单元，通过氢键作用网络构建多孔 HOFs材料MPM-1-Br和MPM-1-Cl。鉴于 Br-和Cl-为良好的氢键碱性受体，乙炔作为酸性氢键供体，两者之间应能形成较强氢键，而二氧化碳恰恰无此作用，因此该材料对乙炔和二氧化碳吸的附分离具有潜在优异性能。为此，本文合成两种多孔氢键金属-有机框架材料 MPM-1-Br和 MPM-1-Cl，并验证它们对乙炔和二氧化碳吸的附分离性能。方法：以腺嘌呤和溴化铜（或氯化铜）为原料，通过慢扩散合成法在室温下合成两种多孔氢键金属-有机框架材料 MPM-1-Br和 MPM-1-Cl。采用扫描电镜（SEM）、粉末X-射线衍射（PXRD）、热重分析（TGA）及比表面积分析等技术手段对材料的形貌、孔结构和热稳定性进行系统表征。通过容量法测定了此二种同构多孔氢键金属-有机框架材料在273、298和308 K 3个温度下对乙炔和二氧化碳的纯组分气体吸附等温线。采用双位点Langmuir-Freundlich模型对吸附等温线进行拟合，计算获得等量吸附热，基于理想吸附溶液模型预测了吸附分离选择性，并和目前主要的几个MOF材料进行了性能比较。结果：合成及活化的 MPM-1-Br和MPM-1-Cl的衍射峰位置与模拟PXRD谱图吻合，说明合成的晶体为目标产物且活化后结构未发生改变；同时，MPM-1-Br和MPM-1-Cl的衍射峰位置基本一致，表明为同构材料且具有良好的结晶度。SEM图表明MPM-1-Br和MPM-1-Cl晶体长度约为 100 μm、宽度约为 20 μm。热重曲线结果显示温度低于240℃时材料MPM-1-Br和MPM-1-Cl均具有热稳定性。单组分气体吸附等温线实验结果表明，MPM-1-Br在100 kPa处对C2H2和CO2的吸附量分别为 2.85 mmol·g-1和 1.57 mmol·g-1；而MPM-1-Cl在100 kPa处对C2H2和CO2的吸附量分别为2.78 mmol·g-1和1.74 mmol·g-1这两种材料的一维孔道直径都比C2H2分子和CO2分子的直径大，两种材料对C2H2和CO2的吸附量存在差异的原因可能与MPM-1-Br和MPM-1-Cl一维孔道上表面分布有Br-和Cl-有关，Br-和 Cl-为良好的氢键碱性受体，而乙炔具有酸性的氢原子，可与之形成氢键作用，而二氧化碳则无此作用，从而导致两种材料对C2H2的吸附量均明显大于对CO2的吸附量。在298 K、总压为100 kPa下，MPM-1-Br和MPM-1-Cl对C2H2/CO2的吸附选择性分别达到了3.8和3.0，与HKUST-1a（4.7）和 UTSA-30a（3.3）有相当的分离性能。同时，C2H2和CO2对MPM-1-Br和MPM-1-Cl的初始等量吸附热分别为33、22、31和27 kJ·mol-1，比大部分MOF和COF材料相低，说明在材料再生时能耗较低。结论：（1）通过慢扩散反应法，制备了两种多孔氢键金属-有机框架材料MPM-1-Br和MPM-1-Cl，通过XRD、SEM和显微镜观察等手段确认了材料结构；BET比表面积分析表明MPM-1-Br和 MPM-1-Cl为多孔材料；TGA结果表明此二种材料有较好的热稳定性。（2）由单组分吸附等温线结果表明，MPM-1-Br和MPM-1-Cl对乙炔和二氧化碳的理想吸附热分别为33、22、31和27 kJ·mol-1。乙炔的较大吸附热与其能与材料形成更强的氢键作用有关。基于 IAST理论计算得到的298 K、100 kPa总压下的混合气体（50∶50，v/v）的吸附分离选择性分别为 3.8和 3.0，表明 MPM-1-Br和MPM-1-Cl可作为潜在的C2H2/CO2气体分离材料。

来源出版物：化工学报, 2017, 68(1): 154-162

入选年份：2017

纵向涡发生器在管翅式换热器中的应用及优化

何雅玲，楚攀，谢涛

摘要：目的：管翅式换热器在工业领域和日常生活中有着广泛的应用，其气体侧的热阻是换热环节的主要热阻，因此如何减小气体侧热阻，强化气体侧的换热成为研究的重点。纵向涡发生器是一种新型的强化换热措施，其能够对流体产生强烈扰动，增强冷热流体之间的混合，并且能够以较小的流动损失获得较大的传热系数的提升，促使换热强化。针对以往研究较少的“上升流型”方式摆放的纵向涡发生器的流动传热特性，本文进行了系统的优化分析，深入研究了纵向涡发生器的攻角，纵向涡发生器的个数以及纵向涡发生器的摆放形式等参数对管翅式换热器换热流动特性的影响，并对纵向涡发生器的关键参数进行了优化研究。方法：采用计算流体动力学方法研究矩形小翼纵向涡发生器对换热器空气侧换热流动特性的影响。首先，依据带有矩形小翼的管翅式换热器的周期性结构特点，将计算区域简化，并采用分块处理的方法，建立了换热器流道的结构化/非结构化混合网格系统，在换热管壁面及涡发生器表面进行适当的网格加密处理。其次，采用商业化计算流体动力学求解器FLUENT，对计算域内的稳态流动传热特性进行求解，控制方程包括三维、稳态、不可压常物性的连续性方程、动量方程和能量方程，采用SIMPLE算法耦合速度与压力。经与文献实验结果对比，传热系数平均偏差小于5%，沿程压降平均偏差小于11%，符合一般工程要求，验证了物理数学模型和数值计算方法的可靠性。结果：（1）纵向涡发生器的攻角影响结果：纵向涡和来自渐缩通道的高速喷射流将高动量的流体引入换热管后的尾迹区，有效地压缩并减小了尾迹回流区的尺寸，减薄了下一排换热管的边界层，增大了温度梯度，有利于强化换热。攻角越大，纵向涡的强度也不断变大，流体以更高的速度冲击到下一排换热管，使得换热管上的边界层更薄，换热效果更好。与基本结构相比，在计算的范围内（Re=575～880），攻角为10°、20°、30°的强化结构将换热器管外侧的换热系数分别提高了28.8%～34.5%、54.6%～61.5%、83.3%～89.7%；沿程压降分别增加了21.9%～26.9%、58.1%～61.9%、119.2%～125.3%。攻角为20°的强化结构，可以将空气侧的换热能力强化60%左右，并且在雷诺数较大时（Re＞800），可以保证换热增加的幅度大于沿程压降增加的幅度，达到了强化换热（j/j0）/（f/f0）的最难以完成指标。（2）纵向涡发生器的个数影响结果：流体流经纵向涡发生器，会因为减缩的狭长通道加速而发展成高速旋转的二次流。纵向涡发生器个数越多，则加速区域越宽，每根换热器管后的尾迹区受到的扰动越多，其边界层更薄，温度梯度更大，换热效果也更好；但更多的纵向涡发生器也增加了流动阻力。对于发生器个数分别为1、3、7的 1-RWPs、3-RWPs、7-RWPs换热器，在模拟的Re范围内，其换热系数分别提升了22.7%～25.5%、54.6%～61.5%、87.5%～105.1%，沿程压降分别升高了22%～24.5%、58.1%～62%、123%～127.6%。（3）纵向涡发生器的摆放形式影响结果：顺排布置的纵向涡发生器，流体流经换热管时会在两侧形成两股对称的高速射流，这两股对称的高速射流在横向上会彼此削弱对方的速度，最终削弱两股高速射流对尾迹区的影响，从而减弱高速射流的射流冲击强化换热效果。而叉排布置的纵向涡发生器，由于几何结构的不对称性，其速度场也是不对称的。每1个纵向涡发生器都是独立的改善换热管后的尾迹区而没有受到其他影响，因而能够充分的发挥强化换热的潜力。与顺排结构相比，纵向涡发生器叉排结构将空气侧的换热系数提高了 0.5%～2.5%，同时沿程压降降低了4.5%～8.3%，可见，叉排结构可以在保持强化换热水平不变的情况下进一步地降低流动阻力。（4）通过对纵向涡发生器的再优化，发现攻角为 15°时，换热器的综合换热能力能够进一步提高。此时，顺排-1RWPs、顺排-3RWPs、顺排-7RWPs强化结构能够将换热器的综合性能强化、7.1%～17.8%、3.6%～10.9%、1.1%～9.3%。这表明纵向涡发生器引起的换热增加的幅度大于纵向涡发生器引起的阻力增加的幅度，其在大幅

度提升换热器换热能力的同时，仅以相对较小的幅度增加流动阻力，是一种高效低阻的强化换热技术。结论：本文所研究的纵向涡发生器的布置形式可以同时实现纵向涡强化换热和射流冲击强化换热，被渐缩型通道加速的流体不仅能够射流冲击强化换热，还能够抑制换热管束上的流动边界层分离现象，使换热管上的流动分离点后移。高速射流和强烈旋转的二次流一起作用在换热管束及其尾迹区，最终减小了换热管后的尾迹区，达到了减小换热管形状阻力的目的。纵向涡发生器的强化换热效果受到多个因素的影响，包括攻角、个数以及摆放方式等。和传统的强化换热技术相比，纵向涡发生器具有显著的优势：其能够在显著强化换热能力的同时，仅仅在很小程度上增加流动阻力，甚至某些工况下减小流动阻力，达到了传统强化换热技术最难以完成的技术指标。

来源出版物：化工学报, 2012, 63(3): 746-760

入选年份：2017

高剪切条件下纳米腐殖酸的制备与表征

程亮，张保林，侯翠红，等

摘要：鉴于我国人口数量剧增、工业废弃物、污染物的大量排放及有效能源利用率低等现状，资源的利用由粗放型向集约型的转化已成为必然趋势。纳米腐植酸是随着纳米技术发展而诞生的一种粒径介于1～100 nm新型多功能材料。采用碱溶酸析法协同高剪切技术制备的纳米腐植酸，就目前普通腐植酸的广泛应用，其未来可应用于肥料，聚合物吸附材料和锅炉防垢剂等多个领域。以河南巩义风化煤为原料，利用碱溶酸析法配加高剪切技术制备了平均粒径为60 nm腐植酸，较系统的研究了干燥方式、晶粒调整剂（单用、复配）及工艺条件等因素对腐植酸粒径大小的影响。首先，称取过0.150 mm筛的风化煤10.00 g置于250 mL的三口烧瓶中，加入质量分数10%稀盐酸100 mL活化，搅拌一定时间，经过滤、用蒸馏水洗涤至无Cl-，将沉淀物转移至250 mL三口烧瓶中。其次，加入25%（质量分数）氨水100 mL和一定量的晶粒调整剂，在高剪切技术条件下，搅拌均匀，随之放入60℃的恒温水浴中，搅拌2.5 h，陈化3.5 h后取出上层溶液，在溶液中加入15%（质量分数）稀硫酸，调至pH=2，并于离心机中在5000 r·min-1转速下离心30 min，下层沉淀用蒸馏水洗至无SO2-4为止，再用50 mL无水乙醇洗涤，所得沉淀物经真空干燥箱60℃下干燥、粉碎后即得产品。最后，将样品放入样品箱中。从单因素与正交实验、激光粒度分析仪、红外光谱仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜等手段对产物的粒径分布、化学结构、结晶性能、形貌及比表面积分析，可得以下结果：（1）制备纳米腐植酸的最佳工艺条件为：氨水浓度25%，固液比（风化煤g：10%稀盐酸mL）1∶10，晶粒调整剂使用量为反应溶液质量的 1.5‰，反应温度60℃，反应时间150 min，搅拌速度2000 r·min-1，陈化时间3.5 h。（2）采用不同的方法干燥产物纳米腐植酸，对产物的尺寸和形貌以及团聚状况都有一定的影响。实验发现干燥方法以真空干燥为最优，其次为微波干燥、普通烘箱干燥。（3）通过普通腐植酸与纳米腐植酸红外图谱对比，1107 cm-1、1035 cm-1及918 cm-1处分别增加了烷氧基、氨基、酸酐的羰基、烃基或取代芳环等新的官能团和活性位点，化学结构发生了变化，络合能力及吸附能力增强，稳定性增加。（4）晶粒调整剂对纳米腐植酸的粒径影响较大，本实验发现，以硬脂酸锌和A17复配的晶粒调整剂所得到的纳米腐植酸的粒径最小。（5）通过扫描电镜、X射线衍射以及比表面积仪可得，纳米腐植酸的平均粒径可达 60 nm，比表面积110.31 m2·g-1，结晶及纯度较好，为立方晶体结构，且其形状呈球形。（6）由于该制备工艺流程简单、反应条件温和，常压、低温、对设备要求低等特点，在工业上具有较好的操作性。

来源出版物：化工学报, 2012, 63(8): 2648-2654

入选年份：2017

微化工过程中的传递现象

陈光文，赵玉潮，乐军，等

摘要：目的：微化工技术是集微机电系统设计思想和化学化工基本原理于一体，并移植集成电路和微传感器制造技术的一种高新技术。微化工设备的特征尺寸在数百微米范围，具有热质传递速率快、安全性高、集成度高、可控性强、放大效应小以及过程节能等优点，因而具有广阔的应用前景。微化学工程已成为现代化学工程学科前沿，主要研究微时空尺度下流体流动、传热、传质现象与反应规律。本文着重介绍近10年来微通道内气—液、液—液两相流体流动、混合与传质的理论和实验的最新研究进展，并对微化工技术的发展进行展望。气—液两相过程：微通道内表面张力作用增强，且流动多为层流。微通道内气—液两相流型一般可分为表面张力控制的泡状流和Taylor流，过渡区域的搅拌流和Taylor-环状流，惯性力控制的分散流和环状流等。气—液两相流的压降可采用分相流模型进行描述，考虑流型和质量通量效应等因素，目前已发展出适合微通道的压降预测模型。与其他流型相比，Taylor流具有操作区间宽、轴向返混小、径向混合好等特点，是气—液微反应器内的理想操作流型。其流动特征为气泡与液弹在通道内交替运动，气泡几乎占据整个通道截面，相邻液弹仅通过气泡与通道壁间的薄液膜连接。Taylor气泡的生成模式依毛细管数不同可分为挤出模式、过渡模式和滴出模式；而气泡尺寸不仅依赖于生成模式，还决定于流体性质和通道结构及尺寸等。对于气—液两相传质过程，研究发现微反应器内气—液比表面积和液相总体积传质系数（kLa）可分别高达9000 m2/m3与21 s-1，高出常规接触器至少1～2个数量级。目前已经发展出针对不同反应器结构和流型的两相传质系数关联式，可用于反应器设计。液—液两相过程：研究发现在数百微米当量直径的微通道内，单相液体的层流—湍流流动转捩发生在雷诺数2000左右，即其流动行为仍然可以用常规理论来预测。微通道中液—液两相流体混合主要通过层流过程的分子扩散进行，强化混合的方式为减少通道尺寸以降低分子扩散距离，或通过结构或外场作用形成局部涡流/对流以促进物料分散和混合。微通道内互不相溶液—液两相流型与气—液两相类似，但流型演变过程更为复杂。两相传质过程传质系数亦较传统接触器高一至两个数量级。通过设置通道内部特殊结构、填充微颗粒或气泡搅拌等方式可进一步促进微通道内两相传质过程。微尺度传热：微通道换热器是一种特征尺度在微米到亚毫米范围内用于热量交换的结构单元。单个通道内的传热系数与常规换热器类似，但是流体分布器的结构和进口效应对总体换热性能有影响。并行放大技术：多通道快速并行放大是微化工技术的另一优点。由于每个通道均可视为一个独立微反应器，物料在通道内的分布状况将直接影响微反应器的整体性能。典型的入口分布结构有腔式集流型结构和树状分叉结构。由于系统内存在多尺度结构，并行放大过程需优化各参量的均布状况及其对整体性能的影响。展望：微化工技术已经引起了国内外的企业界的高度重视并积极参与其研究与开发过程。但是目前还有大量基础科学问题亟需解决，如两相流体混合及界面动态演变机制、互不相溶两相流体的原位分离等。另外，研究开发微反应技术的最终目的是实现工业应用，因此需要积极与企业界进行深入实质性合作，针对不同类型的化工过程或反应类型开展长周期的工业应用示范运行，积累经验，为微化工技术的设计、放大与运行提供理论依据。

来源出版物：化工学报, 2013, 64(1): 63-75

入选年份：2017

多孔陶瓷膜制备技术研究进展

范益群，漆虹，徐南平

摘要：目的：膜技术是新型高效分离技术，以其节约能源和环境友好的特征成为解决全球能源、环境、水资源等重大问题的共性支撑技术之一。其中，多孔陶瓷膜材料性能优异，在过程工业等众多领域获得了广泛的应用，已成为膜领域发展最迅速、最具应用前景的品种之一。多孔陶瓷膜制备技术研究以提高陶瓷膜综合性能为导向，通过对陶瓷膜微结构的调控，实现陶瓷膜制备技术的突破。本文针对近年来陶瓷膜领域的研究，概述了在制备具有高渗透性、高选择性的陶瓷膜以及陶瓷膜低成本化方面的研究进展。高渗透性：陶瓷膜的渗透性主要取决于其孔隙率、孔曲折因子及孔形态等。造孔剂法及纤维搭建法是当前制备高渗透性陶瓷膜的主流技术。造孔剂法是提高多孔陶瓷孔隙率的简单又经济的方法，造孔剂可分为无机物和有机物两类。无机造孔剂有碳酸铵、碳酸氢铵和氯化铵等高温可分解的盐类或者无机碳如石墨、煤粉等；有机造孔剂主要包括天然纤维、高分子聚合物，如锯末、淀粉、聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等。采用造孔剂法可以定量控制多孔陶瓷的孔隙率，在不改变平均孔径及其分布的前提下，通过提高孔隙率来制备具有高渗透性能的多孔陶瓷膜。采用规整均一的造孔剂还可以有效控制所合成材料的形貌、结构和大小，并制备出孔结构有序、孔径均一、孔隙率大的系列微孔、介孔和大孔膜材料，该方法也称为模板剂法。纤维搭建法采用陶瓷纤维作为制膜原料，通过层层搭建纤维孔道以使孔形态多样化，从而实现孔隙率的提高。此外，陶瓷纤维材料由于其纤细的构型，在成膜过程中纤维可以迅速在支撑体表面搭桥，显著减少了膜层的内渗，对膜材料渗透性能的提高具有显著作用。为了提高纤维搭建的膜层强度，通常需要添加粘结剂来加强纤维间颈部连接。高选择性：陶瓷膜的选择性主要由膜孔径及其分布决定，微滤、超滤等陶瓷膜制备技术逐渐成熟，近年来的研究主要向两个方向发展，一是开发具有较大孔径的陶瓷膜材料，用于高温气体除尘，另一方面是研发更小孔径的陶瓷膜材料，用于纳滤过程，甚至是气体分离。其中，在小孔径的陶瓷膜材料制备方面，关注较多的主要是溶胶-凝胶技术。溶胶-凝胶技术主要是通过调整材料尺寸控制陶瓷分离层的分离精度。溶胶凝胶法可以制备出平均粒径几百纳米至几纳米的溶胶，得到的膜层孔径小、孔径分布窄，适用于高渗透选择性的超滤膜和纳滤膜的制备。溶胶-凝胶技术的关键在于两个方面：一是制备出均匀、稳定、具有纳米尺寸的溶胶颗粒；二是确保凝胶膜在形成及热处理过程中的完整性。为了进一步提升膜的分离性能，近年来还发展出了用于减小陶瓷膜孔径和改善孔径分布的修饰技术，如：化学气相沉积、超临界流体沉积、原子层沉积和表面接枝技术等。这些调控孔的手段不仅可以提高膜的分离精度，还可以调控膜表面性质，提升膜材料的渗透性能和抗污染性能。低成本化：相对于有机膜，陶瓷膜的制备成本较高，其应用受到了一定的限制。陶瓷膜的制备成本主要集中在原材料及烧结工艺上，可以通过添加烧结助剂以降低烧结温度，采用低成本易烧结原料以降低原料成本，以及利用先进的烧结工艺来达到低成本控制的目的。为实现陶瓷膜的低温烧结，常在骨料中加入一些液相型或者固相型烧结助剂，前者如高岭土、钾长石等天然硅酸盐黏土矿物，其在较低的温度便熔融形成液相，在颗粒间毛细管力的作用下润湿并包裹骨料粉体颗粒，并将颗粒黏结起来，使多孔陶瓷具有良好的机械强度；后者如氧化钛、氧化锆、氧化钇等金属氧化物，能与氧化铝形成多元氧化物固溶物而使烧结温度下降。此外，廉价的天然非金属矿物高岭土、工业用的莫来石、工业废弃物粉煤灰等也被用作膜材料，以实现陶瓷膜的低成本化制备。在烧结工艺方面，可以采用快速烧结技术来缩短烧结时间从而降低烧结成本，其中微波烧结技术是较多采用的方法。本课题组借鉴低温共烧陶瓷技术在多层结构陶瓷元器件封装领域的成功应用，提出采用共烧结技术来减少多孔陶瓷膜的烧结次数，从而降低烧结成本。未来发展：经过多年的发展，现已形成以固态粒子烧结技术、溶胶-凝胶技术等传统陶瓷膜制备技术为基础，造孔剂法、模板剂法、修饰技术等陶瓷膜制备新技术蓬勃发展的新态势。陶瓷膜制备技术也已从经验为主推进到定量控制的水平，推动了陶瓷膜产品的工业化发展。未来陶瓷膜领域的发展趋势将集中在以下4个方面：进一步提高陶瓷膜材料的分离精度及其分离稳定性，使其在液体分离领域实现纳滤级别的连续高效运行，在气体分离领域实现多组分气体的高效分离；研制具有大孔径及高孔隙率的耐高温陶瓷分离膜材料，使其在资源的高效利用及环境保护等领域实现高温气固分离过程的长期稳定运行；实现陶瓷膜表面性质的调控，通过改变其表面亲疏水性及荷电性、生物兼容性等以拓展陶瓷膜的应用领域；实现陶瓷膜的低成本化生产，结合构建面向应用过程的膜材料设计与制备方法，解决陶瓷膜推广应用的瓶颈问题。

来源出版物：化工学报, 2013, 64(1): 107-115

入选年份：2017