【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于多孔金屬材料，具體涉及一種兼具高透過性和高選擇性的單級微孔金屬油水分離膜的調控方法。
技術介紹
1、隨著工業化的快速發展，原油和工業含油廢水泄露事故頻發，石油化工、日用化工、生物制藥、紡織、皮革、金屬加工業等領域急需高效環保的油水分離膜。新型膜材料應對油水混合流體具有較高的滲透通量，即高“透過性”；同時具有較高的油水分離效率，即選擇性。
2、一方面，根據達西公式及其延伸公式，液體滲透多孔體時的通量與孔結構有關，孔徑越大、孔隙率越高則“透過性”越好，即多孔體單位面積上的孔越多、孔徑越大、孔壁越薄則流體通量越大。但另一方面，大量表面潤濕性研究定性地認為孔徑越小分離效率越高，因此制備了各種孔徑在納米尺度的分離膜，以獲得高選擇性。因此形成滲透通量和分離精度之間難以兼顧的蹺蹺板效應(trade-off?effect)，限制了多孔金屬分離膜的應用。
3、由于納米多孔金屬分離膜的滲透通量很低，大量研究采用了“分層”的思路，僅由基底表面上非常薄的一層納米孔結構實現高選擇性，基底層采用大孔徑、高孔隙率的微米孔結構實現高“透過性”。相比納米尺度的單層分離膜，“分層”結構的表面納米孔層和基底微米孔層的不對稱結構，可以降低跨膜壓力、避免深層孔隙堵塞、具有更高的滲透通量。因此大量研究嘗試在金屬多孔基底上構建了各種成分、形狀、尺寸的納米孔，如申請號為202410525481.1、202311152871.0、202211183474.5、202411041646.4、202310757330.4、20191043925
4、因此需要采用結構-功能一體化的設計方案，打破現有依靠納米孔層實現選擇性、基底微米孔層實現高“透過性”的分層思路，通過孔結構優化為原本僅承擔“透過性”的微米孔基底賦予高選擇性，突破高選擇性和高“透過性”之間的蹺蹺板效應，實現金屬油水分離膜性能的跨越提升。
技術實現思路
1、本專利技術所要解決的技術問題在于針對上述現有技術的不足，提供一種兼具高透過性和高選擇性的單級微孔金屬油水分離膜的調控方法。該方法提出一種獨特的結構-功能一體化微孔膜，首先根據梯度實驗結果推導出目標工況中單級微孔結構對油滴選擇性的唯象公式，其次根據公式推導出具有高選擇性的最優單級微米孔結構，最后采用相同制備技術和原料實現優化的微觀形貌，獲得兼具高透過性和高選擇性的單級微孔金屬油水分離膜。
2、為解決上述技術問題，本專利技術采用的技術方案是：一種兼具高透過性和高選擇性的單級微孔金屬油水分離膜的調控方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
3、步驟一、對原料采用造孔劑輔助的粉末軋制技術進行梯度實驗，得到多個具有不同r/d值的微孔膜，其中r和d分別為微孔膜的孔壁厚度和孔徑大小，然后對多個微孔膜分別進行潤濕狀態檢測，再將檢測結果代入唯象公式：進行計算，其中f描述了固定體系里中間潤濕狀態的熱力學穩定性，即微孔膜不透過油滴的選擇性，得到經驗參數a、b和c的值；
4、步驟二、根據步驟一中得到的經驗參數a、b和c的值，代入唯象公式進行計算，得到目標工況下f值最小時對應的r/d值；
5、步驟三、采用與步驟一中相同的原料以步驟二中得到的r/d值進行配料，然后采用步驟一中所述造孔劑輔助的粉末軋制技術進行制備，得到兼具高透過性和高選擇性的單級微孔金屬油水分離膜。
6、本專利技術根據表面潤濕性的經典模型，發現了一系列中間潤濕狀態里，微孔結構對表面潤濕性的影響規律，并提出了理論模型，經典潤濕性理論中，cassie模型描述了粗糙表面上完全不潤濕的狀態，wenzel模型則描述了完全潤濕的狀態，實際表面上的潤濕狀態通常介于上述兩種極端狀態之間，這些中間潤濕狀態屬于亞穩態，尚未有合適理論公式描述這些實際的中間潤濕狀態，其主要參數也難以通過實驗測量，導致現有理論與實際潤濕狀態存在較大偏差，難以指導油水分離膜的最優化設計與性能的主動控制。
7、本專利技術采用形貌參數r/d，通過實驗測定相關參數，可建立單級微孔結構與對油滴選擇性之間的唯象關系，實現了對特定工況下中間潤濕狀態的連續描述，為單級微孔金屬油水分離膜的設計提供了簡便易行的控制方法和理論基礎。
8、除此之外，本專利技術還明確了最優的單級微米孔結構的存在，根據熱力學第二定律，油滴、微孔膜和周圍流體形成的系統中，當體系固定不變，即液體成分、粘度、流速、膜表面所受壓力、膜材料成分、油滴種類和大小、外界溫度壓力，微孔膜表面孔的形狀，微孔膜的厚度、孔徑深度、連通孔與閉孔的比例等次要變量均基本不變時，體系自由能存在最小值，該最小值對應的中間潤濕狀態最穩定，此時油滴最不容易穿透微孔膜，微孔膜對油滴的選擇性最優，從另一角度來看，r/d越大，cassie-baxter狀態越穩定，但由于體系中油滴所接觸的混合界面上固體占比較大，導致水下靜態油接觸角(usca)減小，對油滴的選擇性減弱，反之當r/d增大，usca增大，但微孔膜所能承受的流體壓力減少，流體壓力稍有擾動，油滴將穿透微孔膜，導致微孔膜局部被污染，由此影響分離效率，基于上述原理分析，本專利技術認為對于特定工況下的固定體系，單級微米孔結構應存在最優結構。
9、從提高膜材料透過性的角度，根據達西公式及其延伸公式，液體滲透多孔體時的通量與孔結構有關，孔徑越大、孔隙率越高則通量越大，從流體滲透膜材料的實際過程來看，孔徑和孔隙率代表了流體與膜材料表面接觸時，流體可以進入的通道所占膜表面積的百分比，即膜材料單位面積上的孔越多、孔徑越大、孔壁越薄則流體通量越大；達西公式中用透過系數b來表征膜材料的孔結構，b所受影響因素較為復雜難以用理論計算，如膜材料表面孔徑、孔壁厚度、單位面積孔的數量、成分、膜厚度、孔道彎曲系數、孔壁粗糙度等，所以通常通過實驗測定其具體值，由于b值為被動測定的參數，不易實現對通量的主動控制和膜材料微觀形貌的最優化設計。
1本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種兼具高透過性和高選擇性的單級微孔金屬油水分離膜的調控方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種兼具高透過性和高選擇性的單級微孔金屬油水分離膜的調控方法，其特征在于，步驟一中所述梯度實驗中R/D的取值范圍為0.59＜R/D＜1.36。
3.根據權利要求1所述的一種兼具高透過性和高選擇性的單級微孔金屬油水分離膜的調控方法，其特征在于，步驟一中所述梯度實驗中制備至少3個具有不同R/D值的微孔膜。
4.根據權利要求1所述的一種兼具高透過性和高選擇性的單級微孔金屬油水分離膜的調控方法，其特征在于，步驟一中所述潤濕狀態檢測的方法為：在微孔膜表面隨機選取40個點位，測定其孔徑內切圓直徑及其周邊孔壁的最小內切圓直徑，取上述40個測量值的統計平均值，作為該微孔膜的形貌參數。
5.根據權利要求1所述的一種兼具高透過性和高選擇性的單級微孔金屬油水分離膜的調控方法，其特征在于，步驟一和步驟三中所述造孔劑輔助的粉末軋制技術的燒結過程中，將坯體薄片上下兩面均采用光滑平整的陶瓷薄片以加壓固定，壓力為0.2MPa。
【技術特征摘要】
1.一種兼具高透過性和高選擇性的單級微孔金屬油水分離膜的調控方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種兼具高透過性和高選擇性的單級微孔金屬油水分離膜的調控方法，其特征在于，步驟一中所述梯度實驗中r/d的取值范圍為0.59＜r/d＜1.36。
3.根據權利要求1所述的一種兼具高透過性和高選擇性的單級微孔金屬油水分離膜的調控方法，其特征在于，步驟一中所述梯度實驗中制備至少3個具有不同r/d值的微孔膜。
4.根據權利要求1所述的一...
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。