将反应器与膜过程耦合开发新型的具有特定功能的膜反应器,一直是现代化工过程中的研究热点。无机陶瓷膜由于具有优良的材料性能,为其在该领域的应用展现了良好的前景。本文以单分散乳液和 SiO2 粉体的制备为研究背景,按集成化的思路,将传统的浆式反应器和新型的制乳方法—膜乳化法结合,开发了一体式的陶瓷膜乳化装置,并通过较系统的实验研究了一体式陶瓷膜乳化装置在低能耗的条件下制备具有较小粒径的单分散的水包油(O/W)型和油包水(W/O)型乳液的方法,在此基础上制备出了亚微米级的 SiO2球形颗粒。一体化陶瓷膜乳化装置设计的可行性研究。为实现膜乳化技术和反应器的耦合,所用的膜乳化装置必须具有结构简单、操作方便、易于放大等特点;而为了实现介观尺度控制,则必须针对该装置研究乳滴尺寸控制的方法。本文采用管式陶瓷外膜元件作为乳化介质,磁力搅拌器作为剪切力的动力源,建立了一套简单的一体化的膜乳化装置。选用低界面张力的异丁醇/水体系作为研究介质,初步研究了表面活性剂和膜孔径对膜乳化过程的影响,采用孔径为 0.69μm和 0.16μm 的膜制备了两种乳状液,两种乳状液的体积平均粒径分别为 2.50 和1.76μm,比表面积分别为 3.78m2·g-1 和 10.8m2·g-1,因此适合为萃取或双液相反应提供较大的传质界面。在 0.06MPa 下,孔径为 0.69μm 的膜的通量稳定在 121～131 L·m-2·h-1 之间,孔径为 0.16μm 的膜的通量稳定在 56~62 L·m-2·h-1 之间。孔径为 0.69μm 的膜由于通量较高,因此适用于对粒径大小要求不高的体系,而孔径为 0.16μm 的膜更适合制备较小粒径的乳状液。与简单的搅拌过程相比,该装置可在很低的剪切力下制备出较大比表面积的乳液。单分散O/W型乳状液的制备。由于陶瓷微滤膜通常是采用粒子烧结法制得的非对称膜,存在一定的孔径分布,将其作为乳化介质,用于制备W/O型乳液时,所得的乳状液往往呈多峰分布。因此,制备单分散乳状液特别是较小粒径的乳状液是将膜乳化技术应用于介观尺度控制的难点和关键。选用甲苯/水作为研究体系,采用0.16μm的ZrO2膜,在1.1倍临界乳化压力(60KPa),转速为280rpm,温度为32℃条件下,制备出了体积平均粒径为3.53μm的乳状液,其体积平均粒径为3.53 μm,由于膜表面存在大于标称孔径的粗大孔,制备出的粒径分布呈双峰分布,粒径分布系数α为2.5。通过向油相中加入0.6%的SPAN80而其他条件与前述过程相同的情况下制备出了体积平均直径为3.60μm,α为1.33的单分散乳状液。两种方法的通量近似相同,都稳定在4~5L·m-2·h-1。为有效解决通量和粒径之间的矛盾,采用孔径为0.16μm的ZrO2膜,通过一次射流过程在350KPa,280rpm,20℃的条件下制备粗乳液,液滴的体积平均粒径为54.69μm和α 是1.245,此时通 I<WP=8>南京工业大学 博士论文量可达到150 L·m-2·h-1;将该乳液在0.2MPa,280rpm条件下压过1.5μm的α-Al2O3膜,所制得的乳液体积平均粒径2.29μm,粒径分布 α为1.205,此时膜通量为454L·m-2·h-1。同时,本文还较系统地研究了操作条件和表面活性剂对二次射流膜乳化过程的影响。计算可知二次射流乳化过程制备单分散乳液的能耗约为一体式膜乳化过程在接近临界乳化压力下能耗的14%。采用非离子型表面活性剂OP作为乳化剂,通过二次射流膜乳化过程制备出体积平均粒径为1.574μm、粒径分布范围α为0.947的单分散的乳液,而采用阳离子表面活性剂CTAB作为乳化剂,在二次射流过程中出现聚并现象的发生,无法制得稳定的乳液。一体式陶瓷膜乳化装置制备单分散W/O型乳状液和规整SiO2粉体的方法。通过向水相中添加阳离子表面活性剂的方法,可采用亲水性陶瓷膜直接制备单分散的W/O型乳液。比较了添加不同类型的表面活性剂对制备W/O型乳液过程的影响,加入阳离子型的表面活性剂CTAB后制备的乳液粒径最小,且非常均匀。 研究了搅拌转速和压力对过程的影响。在0.10MPa下,比较了210rpm、280rpm、350rpm、420 rpm、490 rpm几个转速下制备的W/O型乳液,在210rpm的条件下制备的乳液粒径为2~3μm之间,当转速升高到490rpm时,乳液的粒径在1~2μm之间。在压力0.06~ 0.15MPa范围内,通量随压力的升高而升高,当压力小于0.10MPa时,乳液均匀,且粒径在1~2μm。与简单搅拌过程制备出的乳液相比,膜乳化法制备的乳液的粒径更均匀,且能耗更低。在压力为0.22MPa、转速为490rpm条件下制备Na2SiO3乳液的粒径大约在2~3μm之间,通过乳液沉淀法制备的SiO2粉体的粒径为250nm,属亚微米级粉体。陶瓷膜材料润湿性研究。通过对陶瓷膜表面润湿动力学的研究,建立膜材料润湿性的评价方法。提出了将片状陶瓷膜的润湿过程分为五阶段进行描述的方法。计算出TiO2、Al2O3、ZrO2的材料常数和弯曲因子,三种陶瓷膜的弯曲因子分别为3.69、1.87、1.85。 选择异丁醇和甲苯两种与水不混溶体系作为研究对象。采用修正的Washburn法计算出了两种试剂分别与Al2O3、ZrO2和TiO2膜相对润湿接触角。异丁醇和三种陶瓷材料的相对润湿接触角分别为63.0、65.9、63.5;甲苯和三种陶瓷材料的相对润湿接触角分别为60.9、61.1、58.0。综上所述,