中文摘要：

本项目旨在发展一种基于有机溶胶-凝胶方法的超滤炭膜制备新工艺路线。通过控制聚合过程，制备性能可控的有机聚合物溶胶，在优选的支撑体上涂覆成膜，控制干燥和炭化，制备高性能超滤炭膜。利用凝胶中的溶剂脱除成孔，形成高孔隙率炭膜，解决目前模板法制备的超滤炭膜孔隙率和通量低的问题。利用对溶胶固含量、聚合物团簇支化和交联程度的调控，控制微相分离尺度，进而调控超滤炭膜的孔隙率、孔径大小及分布等。针对这一新方法中存在的关键问题，着重研究溶胶－凝胶性质和膜孔结构之间的内在联系，探索过程中的微相分离机制，实现对成膜溶胶性质的有效调控，进而实现对膜孔结构和分离性能的有效调控；深入研究干燥及炭化过程中膜收缩规律及裂纹生成机制，优化干燥和炭化制度，防止缺陷产生；研究支撑体性质对成膜性能、分离层与支撑体结合情况的影响，实现分离层和支撑体的良好结合。在此基础上，发展出一条高通量、高选择性超滤炭膜制备的新技术路线。

结论摘要：

有机溶胶-凝胶法是一种新型的超滤炭膜制备方法。项目以廉价的酚醛树脂为前驱体，一粉煤灰基微滤膜为支撑体，利用有机溶胶-凝胶法，制备了结构可控的超滤炭膜。研究了溶胶合成条件及性质对成膜性能的影响规律及对炭膜孔结构的影响。深入研究了溶胶合成过程中的催化剂种类和浓度与炭膜孔结构之间的关系，考察了溶胶浓度、碳化温度、干燥条件等对炭膜结构和性能的影响。研究了前驱体膜在碳化过程中膜孔结构和化学结构的演变。在炭膜孔结构形成过程中，催化剂种类和浓度有重要影响。十二烷基磺酸钠、四丁基溴化铵和十六烷基四丁基溴化铵(CTAB)均为超滤炭膜合成的良好的催化剂。其中CTAB用于制备超滤炭膜表现出更好的性能。随着催化剂用量的增加（R/C的减小），膜的孔径减小，通过调整催化剂的用量可以有效调控炭膜的孔结构，以适应不同的用途。R/C=200时，最可几孔径为3.8nm，R/C=500时，最可几孔径增加到20nm。并且，随着催化剂浓度的减小，介孔孔容明显增加。溶胶合成时间对成膜性能及膜孔径都有很重要的影响，合成时间太短，溶胶尚未形成，则难以形成连续的膜，合成时间太长，溶胶黏度增厚，则成膜太厚，容易在干燥和炭化过程中开裂，形成裂纹和缺陷。除此之外，合成时间对膜孔径也有较大影响，随着合成时间的延长，孔径增大，孔容减小；当接近凝胶点时，孔径、孔体积基本不再变化。溶胶浓度直接影响了成膜液的粘度和膜最终的空隙率。随着溶胶浓度的增加，孔径向着微孔方向发展，比表面积减小。当溶胶浓度为40%时，炭膜的孔容主要由微孔贡献。前驱体膜炭化后比表面积、中孔体积均增加。随着碳化温度的升高炭膜比表面积和孔容增加，并在800℃达到最高，分别为790 cm2/g和0.67 cm3/g，随后有所下降。炭膜的孔径随着碳化温度升高而下降，并在800℃达到最小，为8.1 nm。为了确定最佳碳化终温条件，对炭化前后的样品作了X射线衍射和拉曼光谱分析。发现随着炭化温度的升高石墨化程度增加，结构更加均匀。但是碳化温度的增高导致缺陷的增加，因此炭化终温不宜过高， 800度为合适的炭化终温。经过初步的条件优化，所得炭膜的截留分子量为约17500 Dalton。在跨模压差120 KPa时，纯水通量约190 L/(m2h)。这一通量数值已经接近或超过商业化的截留分子量100000 Dalton的中空纤维超滤膜的纯水通量。