纳米孔径核孔膜的水通量研究
发布时间：2021-11-26 05:40
随着人口的不断增长、城市化的迅速发展以及水污染情况的加剧,水资源短缺已经成为全人类共同面临的严峻挑战。膜技术具有移除率高和环境适应性强等优点,在水处理方面中有着非常广泛的应用。膜的水通量作为一个关键参数,一直是基础研究和应用研究的重点。尤其在纳米尺度下,流体的实际行为与传统流体力学模型之间存在严重偏差,因此研究纳米尺度下水的流动行为具有重要意义。在众多类型的分离膜中,核孔膜由于其孔径分布狭窄,孔径呈规则的圆柱形,是研究纳米受限流体良好的模型系统。然而,当核孔膜孔径小于200 nm,尤其是在100 nm以下时,不同文献中核孔膜水通量的测试结果存在明显差异,这显然不利于正确地理解超滤膜的分离过程。根据Hagen-Poiseuille方程,压力驱动下通道中的水通量与通道直径的四次方成正比,因此通道直径的测量对于水通量的确定起着关键作用。然而对于非导电多孔材料,扫描电子显微镜（SEM）在观察时需引入一个额外的导电层来覆盖材料表面,这不可避免地带来了孔径测量时的误差。为了解决这一难题,本文创新性地提出孔道复制的方法来对孔径进行精确测量,实现了对孔径200 nm以下核孔膜水通量的精确测量,我们期望...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)甘肃省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型膜分离的种类[22]
第1章绪论5的孔隙时，粒子被截留的分离机制。电荷排斥分离是指通过排斥与膜表面电荷相同的粒子来实现膜分离的机制。对于微滤及超滤膜，膜分离机制是孔径筛分。如图1.2所示，通量和选择性有间接的关系，如通量大的膜的选择性较差，选择性好的膜通量较校在不损失膜的选择性的前提下提高膜通量一直是研究人员追求的目标，因为高通量的膜具有三个明显的优势：（1）膜的产水率高，获得相同的产水量时间缩短，生产效率提高；（2）单位体积的产水所需能耗低，运维成本降低；（3）膜组件体积小，设备投资也相应地减少。图1.2膜的选择性和通量的关系图2、膜污染：膜污染是指物质在膜表面或膜孔内的积聚，是膜系统有效运行的主要障碍。污染有三种类型：通过吸附溶解的有机物而产生的有机污染；通过沉积或表面成核产生少量可溶盐的无机污染；以及通过沉积和滋生微生物形成强粘附生物膜而产生的生物污染。过度的污染会降低膜的性能（即渗透性和选择性），因此在运行过程中需要对膜进行化学清洗，但这缩短了膜的寿命，并增加了能耗和运行成本。同时膜污染的严重程度不仅受给水质量和工艺条件的影响，与膜本身的污染倾向也密切相关，因此开发低污染倾向的膜材料有着重要的意义。对于不同的过滤膜，其抗污染性能有很大不同。聚合物相转化而生产出的超滤膜和微滤膜，如聚偏氟乙烯（PVDF）、聚砜（PSf）、聚醚砜（PES）和聚丙烯腈（PAN）等，这些聚合物具有易于加工、价格低廉等特点，并具有良好的化
第1章绪论7颗粒100%截留。这一拉伸膜可以不依靠外部压力，紧靠进料液的自身重力实现过滤。Morehouse[34]也通过拉伸的方法制备出了椭圆形微滤PVDF，膜的水流通量增幅非常显著。从图1.3直观地了解到椭圆形多孔膜抗污染性能提高的原因，用直径为d、截面为πd2/4的圆孔膜来描述拉伸前的圆形多孔膜。过滤过程中，当含有颗粒的进料溶液被引入一个最初清洁的微孔膜时，膜就会产生污染。如果直径为D的球形颗粒撞击到膜表面无孔的部分，则该颗粒不会阻挡其他颗粒通过孔的传输。当球形颗粒撞击到孔道周长内，对于圆孔，当颗粒直径D<d时，颗粒可以顺利通过，而当D>d时，颗粒则会完全阻塞进入孔隙的入口，阻止随后的液体通过该孔隙，随着传输过程的持续进行，膜表面污染物的累积会大大降低膜的渗透性。而对于椭圆形孔，当直径D<d时，颗粒物的表现同圆孔时一致，可以顺利地透过膜孔。而当D>d，颗粒会被截留在膜表面，但对于D稍大于d的情况，椭圆孔只会被部分的堵塞，未被堵塞的部分可以继续起到过滤的作用，在后续的过滤过程中，污染物颗粒有可能会被流体冲刷走，恢复过滤性能，因此与相比圆形核孔膜，椭圆形核孔膜有着更出色的抗污染性能。同时，在圆孔直径与椭圆孔短轴相同的情况下，二者的选择性一致，但椭圆孔道的膜过滤面积有了明显提高，这也会提高椭圆孔的渗透性。图1.3颗粒接近圆孔和椭圆孔示意图
本文编号：3519512
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)甘肃省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型膜分离的种类[22]
第1章绪论5的孔隙时，粒子被截留的分离机制。电荷排斥分离是指通过排斥与膜表面电荷相同的粒子来实现膜分离的机制。对于微滤及超滤膜，膜分离机制是孔径筛分。如图1.2所示，通量和选择性有间接的关系，如通量大的膜的选择性较差，选择性好的膜通量较校在不损失膜的选择性的前提下提高膜通量一直是研究人员追求的目标，因为高通量的膜具有三个明显的优势：（1）膜的产水率高，获得相同的产水量时间缩短，生产效率提高；（2）单位体积的产水所需能耗低，运维成本降低；（3）膜组件体积小，设备投资也相应地减少。图1.2膜的选择性和通量的关系图2、膜污染：膜污染是指物质在膜表面或膜孔内的积聚，是膜系统有效运行的主要障碍。污染有三种类型：通过吸附溶解的有机物而产生的有机污染；通过沉积或表面成核产生少量可溶盐的无机污染；以及通过沉积和滋生微生物形成强粘附生物膜而产生的生物污染。过度的污染会降低膜的性能（即渗透性和选择性），因此在运行过程中需要对膜进行化学清洗，但这缩短了膜的寿命，并增加了能耗和运行成本。同时膜污染的严重程度不仅受给水质量和工艺条件的影响，与膜本身的污染倾向也密切相关，因此开发低污染倾向的膜材料有着重要的意义。对于不同的过滤膜，其抗污染性能有很大不同。聚合物相转化而生产出的超滤膜和微滤膜，如聚偏氟乙烯（PVDF）、聚砜（PSf）、聚醚砜（PES）和聚丙烯腈（PAN）等，这些聚合物具有易于加工、价格低廉等特点，并具有良好的化
第1章绪论7颗粒100%截留。这一拉伸膜可以不依靠外部压力，紧靠进料液的自身重力实现过滤。Morehouse[34]也通过拉伸的方法制备出了椭圆形微滤PVDF，膜的水流通量增幅非常显著。从图1.3直观地了解到椭圆形多孔膜抗污染性能提高的原因，用直径为d、截面为πd2/4的圆孔膜来描述拉伸前的圆形多孔膜。过滤过程中，当含有颗粒的进料溶液被引入一个最初清洁的微孔膜时，膜就会产生污染。如果直径为D的球形颗粒撞击到膜表面无孔的部分，则该颗粒不会阻挡其他颗粒通过孔的传输。当球形颗粒撞击到孔道周长内，对于圆孔，当颗粒直径D<d时，颗粒可以顺利通过，而当D>d时，颗粒则会完全阻塞进入孔隙的入口，阻止随后的液体通过该孔隙，随着传输过程的持续进行，膜表面污染物的累积会大大降低膜的渗透性。而对于椭圆形孔，当直径D<d时，颗粒物的表现同圆孔时一致，可以顺利地透过膜孔。而当D>d，颗粒会被截留在膜表面，但对于D稍大于d的情况，椭圆孔只会被部分的堵塞，未被堵塞的部分可以继续起到过滤的作用，在后续的过滤过程中，污染物颗粒有可能会被流体冲刷走，恢复过滤性能，因此与相比圆形核孔膜，椭圆形核孔膜有着更出色的抗污染性能。同时，在圆孔直径与椭圆孔短轴相同的情况下，二者的选择性一致，但椭圆孔道的膜过滤面积有了明显提高，这也会提高椭圆孔的渗透性。图1.3颗粒接近圆孔和椭圆孔示意图
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