摘 要

压电陶瓷是一种致密的铁电陶瓷，经高压极化后陶瓷内的电畴会呈有序排列状态，并且具备压电性能，可以将电能与机械能进行相互转换，最近有研究者将压电陶瓷制成了多孔分离膜并进行极化，然后施加交流电压产生超声振动从而起到抗污染的作用。但是目前制备的压电膜均为对称结构，分离精度较低，限制了压电膜的应用范围，本实验以平均孔径为300nm的对称结构多孔PZT压电陶瓷为支撑体，以碳纳米管（CNTs）分散液与勃姆石（boehmite）溶胶混合制备制膜液，在多孔PZT支撑体上制备一层复合分离膜。这层膜层可以提高复合膜的分离精度，同时可以作为电极起到导电的作用。考察了气氛下煅烧温度对制备的复合膜性能的影响，实验结果表明，超过一定温度,Pb组分的溢出会影响支撑体的孔结构，研究选择了煅烧温度为500℃、600℃、700℃，考察制膜液中碳纳米管与氧化铝质量比为1:0、3:1、1:1、1:3和0:1对复合膜膜层性能的影响，发现随着煅烧温度升高，复合膜平均孔径有所增加，膜层强度逐步提升，导电性能逐步减小；在相同煅烧条件下，随着制膜液中Al₂O₃含量增加，复合膜平均孔径逐步减小，膜层强度逐步增加，导电性呈先增加后减小的趋势。最终选择煅烧温度为600℃，碳纳米管与氧化铝质量比为1:1作为制膜条件，此时制备得到的复合膜纯内渗率为70.8L∙m^-2∙h^-1∙bar^-1，电导率为9.84S/m，截留分子量为32.0kDa，对应的平均孔径为7.8nm。

关键字：压电材料 锆钛酸铅 膜污染 复合膜

Abstract

The piezoelectric ceramic is a dense ferroelectric ceramics, After poling, electric domain will be arranged in order in the ceramic and have piezoelectric properties. Electricity and mechanical energy can be converted each other. Recently, researchers have made piezoelectric ceramic into the porous membrane and poling, Then applying an alternating voltage generates ultrasonic vibrations and plays a role in anti-pollution. However, the piezoelectric film are symmetric structure,separation accuracy is low,The above limit the application of the piezoelectric film. In this experiment, symmetrical structure of the porous PZT piezoelectric ceramic is a support body with an average pore diameter of 300nm, carbon nanotubes (CNTs) mix with boehmite and prepares separation layer on a porous supporting body PZT. This layer can be improved separation accuracy of the separation layer of the composite membrane. And it can play a role as an electrode conductive. In an atmosphere of protection, we investigate pzt performance calcined at different temperatures. Experimental results show that Pb component overflow will affect the pore structure of the support above a certain temperature. researchers select calcination temperature of 500 ℃, 600 ℃, 700 ℃.The study investigates mass ratio of carbon nanotubes and alumina in the film solution with 1:0、3:1、1:1、1:3 and 0:1 how to affect the performance of film composite membrane. Founding that as the calcination temperature, composite membrane average pore size increased, the intensity of the film increase gradually, conductivity gradually decreases；Under the same calcination conditions,As the content of Al₂O₃ increases in the film, average pore size of Composite membrane gradually reduces, the intensity of the film gradually increases, conductivity increases and then decreases.finally,the study selecting 600℃ and 1:1 as the film formation conditions.Then composite film internal bleeding is 70.8L∙m^-2∙h^-1∙bar^-1,conductivity is 9.84S/m,MWCO is 32.0kDa,The average pore diameter is 7.8nm.

Key Words: Piezoelectric materials；Lead zirconate titanate；Membrane foulin；composite membrane

目录

摘要 I

Abstract II

目录 i

第一章 文献综述 1

1.1 引言 1

1.2 膜清洗 1

1.3 压电材料性质 2

1.4 压电膜研究 2

1.5 本文的研究思路与内容 3

第二章 多孔PZT压电陶瓷-碳纳米管复合膜的制备及表征 4

2.1 实验部分 4

2.1.1 实验试剂与仪器 4

2.1.2 多孔PZT压电陶瓷-碳纳米管复合膜制膜液的制备 5

2.1.3 多孔PZT压电陶瓷-碳纳米管复合膜的制备 6

2.1.4 多孔PZT压电陶瓷-碳纳米管复合膜的极化 8

2.1.5 多孔PZT压电陶瓷-碳纳米管复合膜的表征 9

2.2结果与讨论 12

2.2.1 煅烧温度对多孔PZT陶瓷支撑体性能的影响 12

2.2.2 制膜条件对多孔PZT压电陶瓷-碳纳米管复合膜性能的影响 17

2.2.3 极化条件对多孔PZT压电陶瓷-碳纳米管压电性能的影响 23

第三章 结论与展望 25

3.1 结论 25

3.2 展望 26

第四章 致谢 27

参考文献 28

第一章文献综述

1.1 引言

膜是一种具有选择性筛分功能的材料，它可以根据工程需要对悬浮物、大分子有机物、细菌甚至离子等有很好的截留效果，因此被广泛应用于食品、医疗、水处理、石油化工以及核能等众多重要领域。膜分离具有低能耗、低成本等优点，除了选择性、通量、强度外，抗污染性也是衡量膜性能的重要指标。

膜污染的产生不仅与膜本身的尺寸及材料性质有关，而且还受到料液的理化性质以及具体的操作条件影响。膜污染会导致膜通量的严重降低，还会影响膜的选择性，缩短膜的使用寿命以及增加膜的应用成本^[3-4]。虽然制备面向应用过程的陶瓷膜以及优化膜应用的操作条件可以极大缓解膜污染，但是膜污染现象还是无法避免，需要对膜组件进行定期清洗。

1.2 膜清洗

从膜过程而言，通过机械冲洗、高压反冲、化学清洗、超声强化等手段对膜进行清洗是恢复膜通量的常用方法。其中化学清洗对膜材料耐化学腐蚀性要求较高，对膜仍存在一定的破坏性。机械冲洗及高压反冲对去除膜面滤饼层非常有效，但对膜孔内污染物，特别是不可逆的膜孔堵塞效果不是很显著^[5]。超声强化是一种行只有效的清洗技术，超声空化效应不仅能冲蚀、分散在膜表面形成的污染层，还能作用到很多其他传统方法不能清洗的死角、空隙^[6]。

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