摘 要

目前全球都面临着淡水资源短缺问题，为解决这一问题，海水淡化（脱盐）技术逐渐发展并成熟，广泛应用的脱盐技术有热法、膜法、以及混合类，其中混合类包括膜蒸馏、渗透汽化技术。

本文使用的载体为四通道氧化铝中空纤维，模板剂为三嵌段共聚物F127，碳和硅的前驱体所需试剂为蔗糖和TEOS，采用EISA法合成有序介孔C-SiO₂纳米复合膜及粉体材料。使用SAXS、SEM、热重分析等表征手段对复合膜表面形貌及介孔结构进行观察分析，并使用膜蒸馏技术对其进行脱盐性能测试。数据表明：经硅溶胶修饰后的载体表面更易与膜粘合，用硅碳比为2:1的制膜液所制备的膜的性能最佳，其截留分子量为45168 Da，且该膜的稳定性良好，能在60 ^oC下历经6小时脱盐实验且不渗漏。

关键词：介孔材料 C-SiO₂纳米复合膜 膜蒸馏 海水淡化 脱盐性能

Basic Research of Silicon Oxide/Carbon Nanocomposite Membrane for Membrane Distillation and Desalination

Abstract

At present, the whole world is facing the problem of shortage of fresh water resources. To solve this problem, seawater desalination (desalination) technology has evolved gradually and matured. The widely used desalination technologies include thermal process, membrane process and mixed process, among which the mixed process includes membrane distillation and pervaporation technology.

The carrier used in this paper is a four-channel Al2O3 hollow fiber, the templating agent is triblock copolymer F127, the precursors for carbon and silicon precursors are sucrose and TEOS, and the ordered mesoporous C-SiO2 nanocomposite film and powder materials are synthesized by EISA method. Small Angle X-ray Scattering, SEM, thermogravimetric analysis and other characterization methods were used to observe and analyze the surface morphology and mesoporous structure of the composite membrane, and membrane distillation technology was used to test its desalination performance. The data showed that the surface of the carrier modified by silica sol was easier to bond with the membrane, and the membrane prepared with a silicon-carbon ratio of 2:1 had the best performance. The interception molecular weight was 45168 Da and had excellent stability. It could undergo a 6-hour desalination experiment at 60 oC without leakage.

Key Words: Mesoporous materials; C-SiO₂ nanocomposite membrane; Membrane distillation; Desalination; Desalination performance

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 有序介孔C-SiO₂纳米复合膜 2

1.2.1 简介 2

1.2.2 合成方法 3

1.3 脱盐新技术 3

1.4 研究意义及内容 5

1.4.1 意义 5

1.4.2 内容 5

第二章 实验与表征 6

2.1 实验所用试剂与仪器设备 6

2.2 有序介孔C-SiO₂纳米复合膜的制备及相关性能测试 7

2.2.1 有序介孔C-SiO₂纳米复合膜的制备 7

2.2.2 截流实验 9

2.2.3 脱盐性能测试 10

2.3 表征 12

第三章 数据分析与讨论 13

3.1 膜结构表征 13

3.1.1 SAXS 13

3.1.2 热重分析 14

3.2 截流及脱盐性能研究 16

3.2.1 截流 16

3.2.2 脱盐性能研究 19

第四章 总结与展望 22

4.1 研究总结 22

4.2 展望 22

参考文献 24

致谢 27

第一章 绪论

1.1 引言

众所周知地球上绝大部分面积被水覆盖，仅有30%的陆地，但是实际上人类赖以生存的是淡水资源，其在水资源中的占比仅有2.5%，而其中能被人类直接使用的淡水不到1%[1]。淡水资源短缺是我们当今社会面临的主要全球性问题之一[2]，随着人口爆炸和工业发展，淡水资源的需求令人担忧，特别是在发展中国家。我国水资源具有人均占有量少、时空分布不均、水土资源不匹配、人类活动影响显著等特点，加上经济社会快速发展造成水资源供需矛盾突出，水资源态势十分严峻[3]。我国的人均资源是少的，这体现在：有多个地区处于匮乏状态，低于500立方米；地区分布也很不均匀体现在：以长江区域为分界线，往南的区域土地占比近四成，但是却占有百分之八十一的水资源；往北的区域水资源仅剩百分之十九；人类活动则体现在：水资源的浪费、工业污染、水土流失、全球变暖等等[4]。

自1960年以来，各个国家都在研究水资源问题，并且早在本世纪初就曾有专家说淡水资源对国家的发展至关重大，具有举足轻重的地位[5]。我国的经济发展主要是在沿海地区，这里城市密布，人口众多，对淡水的需求量极大，而我国内陆的城市分布虽然不如沿海繁密[6]，但是内陆并非平原地区其水资源匮乏，所以总体来说我国的水资源情况很严峻，淡水资源缺乏已成了严重制约我国社会经济发展的“瓶颈”之一[7]。

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