华北电力大学陈海平教授团队：粉煤灰基超疏水陶瓷膜的制备——燃煤电厂固废资源化利用

第一作者：傅宏明

通讯作者：李兆豪

通讯作者单位：华北电力大学能源动力与机械工程学院

论文

DOI：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.01.014

【全文速览】

随着燃煤电厂对环保要求的日益提高，固体废弃物粉煤灰的回收利用受到了众多关注。我们以内蒙地区某燃煤电厂的粉煤灰为原料，制备了粉煤灰陶瓷基膜，并采用氟硅烷对其进行超疏水改性。改性后膜的平均接触角为151.3度，滚动角为11.3度。采用高速摄像拍摄了具有不同初速度的液滴在膜表面撞击的动态过程。可视化图像表明，液滴在膜表面的动力学行为特征包括铺展、回缩和反弹；定量实验结果显示，铺展、回缩以及反弹时间分别为2.9、11.5和14.4毫秒。选用pH=2的H₂SO₄液滴和pH=13的NaOH液滴验证膜的耐腐蚀性能，结果发现在强酸和强碱条件下，膜的平均接触角分别为150.98和150.78度，仍然保持了良好的超疏水性能。经过理化性能表征，我们认为粉煤灰基超疏水陶瓷膜在脱硫废水处理、烟气水分及余热回收等领域具有应用前景，有望实现燃煤电厂资源循环利用。

【本文亮点】

在本项工作中，使用廉价的粉煤灰为原材料制作超疏水陶瓷膜，在降低膜材料制备成本的同时，实现了固体废弃物的有效利用。面对包括脱硫废水处理、烟气水分及余热回收等潜在应用情景，探索了膜的抗酸碱和抗污染特性，有望实现燃煤电厂资源循环利用——以电厂废弃物为原料制备可用于电厂生产过程的新型材料。

【图文解析】

图1 粉煤灰基超疏水陶瓷膜制备原理图

图2 粉煤灰、粉煤灰陶瓷基膜、粉煤灰基超疏水陶瓷膜物相对比

图3 粉煤灰陶瓷基膜、粉煤灰基超疏水陶瓷膜EDS谱图对比

图4 不同韦伯数下液滴撞击粉煤灰基超疏水陶瓷膜表面动态行为特征

图5 液滴碰撞速度对其动力学行为特征的影响

图6 抗污染性能对比（图ab分别为粉煤灰陶瓷基膜在泥浆中浸泡前后的形貌、图cd分别为粉煤灰基超疏水陶瓷膜在泥浆中浸泡前后的形貌）

图7 抗酸碱性能对比（图ab为H₂SO₄液滴在膜表面的接触角测试、图cd为NaOH液滴在膜表面的接触角测试）

作者介绍

第一作者：傅宏明，2020年9月起至今在华北电力大学动力工程及工程热物理专业攻读博士学位，师承陈海平教授，主要研究方向为膜材料制备、气体分离技术。

通讯作者：李兆豪，2017年7月在莫斯科动力学院热能与热技术专业获硕士学位，2021年6月在华北电力大学动力工程及工程热物理专业获工学博士学位。博士研究生期间获得国家奖学金、华北电力大学校长奖学金等荣誉。2021年6月留校任教。担任Fuel、Renewable Energy等国际学术期刊审稿人。主要从事多孔介质传热传质、热质耦合传递、冷凝等方面的研究，已发表SCI期刊论文15篇（其中第一作者9篇），影响因子总和122，主持中国博士后科学基金1项，参与国家重点研发计划、国家863计划、北京市科技计划等多项科技项目。联系方式：[e-mail]