聚乙烯醇添加量对炭膜孔结构的影响

　　摘要：以杏壳炭粉为原料，加入添加剂，挤出成型炭化后得到管状炭膜，考察了聚乙烯醇用量对炭膜孔结构的影响。炭膜孔径分布曲线随着聚乙烯醇用量的增加变宽，平均孔径变大，孔隙率增大，纯水通量升高。
　　
　　关键词：炭膜，聚乙烯醇
　　
　　
　　炭膜是20世纪80年代中期发展起来的一种新型无机分离膜，是指由炭素材料构成的分离膜[1]。与传统的有机膜相比，炭膜具有分离能力高、耐高温、化学稳定性好、孔径均匀等优点，近年来受到广泛关注。实验采用杏壳炭粉为原料，加入聚乙烯醇和酚醛树脂，挤出成型，制备管状微滤炭膜。探索了控制微滤炭膜孔结构的方法，研究不同聚乙烯醇添加量对炭膜结构和性能的影响。
　　1实验部分
　　1.1实验原料
　　杏壳炭粉，天津海豚炭黑发展有限公司；聚乙烯醇（PVA），北京益利精细化学品有限公司；水溶性酚醛树脂，自制；丙三醇，分析纯，北京化工厂；异丙醇，分析纯，北京化工厂。
　　1.2炭膜的制备
　　杏壳炭粉加入添加剂，挤出成型，在惰性气体保护下炭化，制备管状微滤炭膜。实验中选择800℃为炭化终温，150℃和800℃各停留一个小时，自然降温。在高于100℃时炭膜始终处于氮气（80mL•min-1）氛围内。
　　1.3炭膜的表征
　　对膜性能与结构的正确表征是评价膜质量和确定其应用范围的重要指标。膜制备的过程复杂，影响因素繁多，而人们最关注的是膜的结构和传递特性，因此对其表征也主要分为结构表征和性能表征两个方面。结构表征有孔径及孔径分布、孔隙率、孔道形状等；性能表征包括通量、渗透选择性及机械强度等。
　　1.3.1孔径及孔径分布
　　孔径及孔径分布是表征膜结构的重要参数，是膜分离的基础，它直接决定着通过膜体流体的渗透选择性和流动特性，控制着流体透过膜的流动模式。孔径分布参照文献[2-3]，使用异丙醇-氮气体系泡压法表征。
　　1.3.2孔隙率
　　孔隙率即试样中开口的孔体积与试样总体积的百分比，与试样内微孔大小、微孔分布及微孔曲折程度等微观结构有关。采用浸渍液体称重法来测量炭膜的孔隙率。
　　1.3.3纯水通量
　　在0.1MPa下，预压30分钟后，每隔一定时间测定膜的纯水通量。重复几次，计算公式如下：
　　
　　式中：J—膜通量，m3•m-2•h-1；
　　V—透过液体积，m3；
　　S—膜面积，m2；
　　t—透过时间，h。
　　2结果与讨论
　　炭膜的部分孔道是由包覆在原料颗粒外粘结剂经炭化后分解产生的，因此粘结剂的物化性质和用量对最终炭膜的孔径及孔径分布有显著的影响。由于炭粉在高温作用后，并不能像陶瓷膜粉料那样，可以通过烧结粘连在一起，所以采用的是在高温下能够不完全被分解、可以保留在炭膜内部、起到粘连作用的酚醛树脂作为粘结剂。选用聚乙烯醇和丙三醇作为增塑剂，去离子水为溶剂。
　　聚乙烯醇是一种高分子聚合物，水溶性良好，在炭膜的制备过程中以水溶液的方式加入能使所得制品的孔径分布均匀，并且活性孔多，因此考虑在让其作为增塑剂的同时也作造孔剂使用。
　　2.1孔径及孔径分布
　　通过泡压法测得的炭膜孔径分布如图1所示，聚乙烯醇含量增加，炭膜孔径分布变宽，平均孔径和最可几孔径均增大，聚乙烯醇含量为3%时平均孔径0.511µm，最可几孔径0.500µm；当聚乙烯醇含量为5%时平均孔径为0.562µm，最可几孔径为0.540µm。
　　
　　图1聚乙烯醇含量不同时炭膜的孔径分布
　　2.2孔隙率
　　表1是原膜聚乙烯醇含量对炭膜孔隙率的影响。聚乙烯醇在炭化过程中分解为小分子物质而不复存在，从而在膜内部形成孔隙，聚乙烯醇含量增加，炭化后膜的孔隙率增大，聚乙烯醇含量为5%时孔隙率为45.82%。
　　表1聚乙烯醇含量对孔隙率的影响

　　2.3纯水通量
　　表2中，随着聚乙烯醇含量的增加，纯水通量增大，当聚乙烯醇含量为5%时制备的炭膜的纯水通量为0.433m3•m-2•h-1，是聚乙烯醇含量3%时的近两倍。
　　表2聚乙烯醇含量对纯水通量的影响

　　3结论
　　随着聚乙烯醇含量的增加孔径分布变宽，平均孔径增大，由最初的0.511µm增大到0.562µm，纯水通量由0.223m3•m-2•h-1增大到0.433m3•m-2•h-1，孔隙率由43.67%增大到45.82%。
　　参考文献
　　[1] 魏微,秦国彤,候胜德.炭膜及其在环境领域中的应用[J].环境污染治理技术与设备,2004,5(7):5-8
　　[2] 黄培,徐南平,时钧.粒子烧结法制备氧化铝微滤膜[J].水处理技术,1996,22(3):129-133
　　[3] HY/T064-2002,管式陶瓷微滤膜测试方法[S].北京:中国标准出版社,2004