超疏水和超亲水膜的制备及其在膜蒸馏中的污染与亲水化研究

发布时间：2017-08-16 04:12

  本文关键词：超疏水和超亲水膜的制备及其在膜蒸馏中的污染与亲水化研究

  更多相关文章： 疏水膜 双疏膜 超亲水/疏水膜 亲水化 膜污染 XDLVO理论

【摘要】：膜蒸馏作为一种新型脱盐技术,在海水淡化、果汁浓缩、废水处理等方面有广泛的应用前景,但水中的有机物可能会对疏水膜造成污染和亲水化。对现有疏水膜进行改性处理,制备出耐污染的复合膜,能够有效地缓解膜污染和亲水化。系统地研究有机物造成膜污染和亲水化的机理为推进膜蒸馏技术工业化提供理论基础。本文对现有的聚偏氟乙烯(PVDF)疏水膜表面分别进行超双疏和超亲水改性,制备出性能稳定的复合膜,并将其应用于处理含有机物盐溶液的直接接触式膜蒸馏中,比较基膜和两种复合膜的污染和亲水化机理。利用动态过滤法将氟化的SiO2微粒涂覆在PVDF基膜表面,成功地制备出了双疏复合膜,其机械及热稳定性较好;考察了操作条件如分散液中SiO2与PFTS配比、过滤时间及压力等对膜面疏水和疏油性的影响,结果显示,当SiO2颗粒与PFTS配比为1:1,过滤时间和压力分别为45 s和0.10 MPa时,复合膜表面的水接触角超过160°,二碘甲烷接触角超过140°。分别将基膜和双疏复合膜应用于处理含有机物和NaCl溶液的DCMD过程,以煤油、腐殖酸(HA)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)作为代表有机物,探讨它们对基膜和双疏复合膜的亲水化及污染机理。结果发现,三种有机物对基膜都造成了严重的亲水化和污染,膜通量衰减,透过电导率急剧上升,其中煤油的污染最为严重,腐殖酸和十二烷基苯磺酸钠造成的膜亲水化相对滞后。相比之下,双疏复合膜都能长时间地保持稳定的膜通量和较低的透过液电导率,说明具有较好的耐污染和抗亲水化性能,主要因为膜表面的SiO2-PFTS涂层使得水中的有机物与膜面的接触变得更困难。随后,利用静态涂覆法成功制备出了性能稳定的、附着PVA水凝胶层的亲水/疏水复合膜(PVA/PVDF)。PVA凝胶层较薄,仅有5μm左右。将其应用于处理含有机物和NaCl溶液的DCMD过程。结果显示,由于PVA凝胶层对煤油的排斥作用,前40 h并无显著亲水化发生,但随着时间的延长,极少量的煤油会穿过凝胶层并吸附在基膜上,说明水凝胶层只是阻挡了煤油在基膜上的快速吸附,但长时间的吸附积累,亲水化仍会缓慢地发生;由于基膜与煤油间的强吸附性,煤油只是吸附在基膜上,很难脱附而进入透过液。即PVA凝胶层只是延迟并非阻止煤油的污染和膜的亲水化。PVA对HA的吸附能力远远强于PVDF对HA的吸附,从而在PVA凝胶层上形成了厚而致密的HA沉积层。随着时间的延长,少量的HA透过凝胶层并吸附在PVDF基膜上,少数膜孔发生了亲水化,HA和NaCl会由润湿的膜孔进入透过液中。100 h内PVA凝胶层却能够有效阻止SDBS对膜的润湿,表现较好的耐污染性能。接着,考察了高浓度料液的连续浓缩实验。结果发现,高浓度的表面活性剂会快速润湿基膜和两种复合膜,超疏水表面的自清洁性和PVA凝胶层延迟膜污染与亲水化的作用都不明显。当处理高浓度的煤油料液时,煤油也只是吸附在膜面和膜孔内,没有从膜中脱附而进入透过液。而处理高浓度的HA溶液时,HA跨膜传质采用的是吸附-解吸方式;但在低浓度的恒浓度实验中,HA可能是依赖于润湿的膜孔而发生液相扩散。最后,从自清洁性和XDLVO理论两方面分析了基膜和复合膜的污染机理。XDLVO理论的计算结果显示,三种有机物与PVDF膜的界面作用力均表现为引力作用,即它们很容易吸附在PVDF基膜表面进而造成膜污染。其中,煤油最容易吸附,腐殖酸次之,而对于SDBS,其疏水端优先吸附在膜面,亲水端仍在水相中,PVDF膜面渐渐发生亲水化变为亲水膜,SDBS进而穿透膜进入透过液中。双疏复合膜由于具有较好的自清洁性,这些污染物很难接触到膜面而是被水带走,故表现出较好的耐污染性。对亲水/疏水复合膜来说,虽然这些污染物有机会接触到PVA凝胶层,但二者界面表现为斥力作用,故亲水/疏水复合膜对煤油和HA表现为延迟亲水化和膜污染,而对SDBS有较好的抗润湿能力,表现较好的耐污染性能。但这种斥力作用的影响有限,高浓度下,有机物仍然有机会接触到膜表面而造成膜污染和亲水化。
【关键词】：疏水膜 双疏膜 超亲水/疏水膜 亲水化 膜污染 XDLVO理论
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.893
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 物理量名称及符号表10-13
• 第1章 绪论13-23
• 1.1 膜蒸馏简述13-15
• 1.1.1 膜蒸馏原理与特征13-14
• 1.1.2 膜蒸馏的形式14-15
• 1.2 膜蒸馏用膜及要求15-16
• 1.3 膜蒸馏用膜的制备16-18
• 1.3.1 超疏/双疏改性16-17
• 1.3.2 超亲水改性17-18
• 1.4 膜污染与亲水化现象18-21
• 1.4.1 膜的亲水化18-19
• 1.4.2 膜污染19-21
• 1.5 本论文的主要内容21-22
• 1.6 课题来源22-23
• 第2章 实验部分23-31
• 2.1 实验原料与仪器23-24
• 2.1.1 实验原料23
• 2.1.2 进料液配制23-24
• 2.1.3 实验设备24
• 2.2 复合膜的制备24-25
• 2.2.1 PFTS/PVDF24-25
• 2.2.2 SiO2-PFTS/PVDF-125
• 2.2.3 SiO2-PFTS/PVDF-225
• 2.2.4 PVA/PVDF25
• 2.3 膜的表征25-28
• 2.3.1 膜厚度25-26
• 2.3.2 LEPW26
• 2.3.3 表面接触角26
• 2.3.4 孔隙率26-27
• 2.3.5 平均孔径和孔径分布27-28
• 2.3.6 形貌结构28
• 2.3.7 表面成分28
• 2.3.8 Zeta电位28
• 2.4 直接接触式膜蒸馏实验28-31
• 第3章 双疏复合膜的制备及其在DCMD中的行为研究31-47
• 3.1 双疏复合膜的制备31-32
• 3.2 双疏复合膜的表征32-36
• 3.3 制膜条件对膜表面双疏性的影响36-38
• 3.4 基膜与双疏复合膜在DCMD过程中的对比38-46
• 3.4.1 NaCl水溶液38-39
• 3.4.2 含煤油的NaCl溶液39-41
• 3.4.3 含腐殖酸的NaCl溶液41-43
• 3.4.4 含表面活性剂的NaCl溶液43-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第4章 超亲水/疏水复合膜的制备及其在DCMD中的行为研究47-61
• 4.1 超亲水/疏水双层复合膜的制备及表征47-50
• 4.2 PVA/PVDF复合膜与基膜和双疏膜在DCMD过程中的对比50-56
• 4.2.1 NaCl水溶液50
• 4.2.2 含煤油的NaCl溶液50-52
• 4.2.3 含腐殖酸的NaCl溶液52-54
• 4.2.4 含表面活性剂的NaCl溶液54-55
• 4.2.5 模拟RO浓盐水55-56
• 4.3 浓缩实验56-60
• 4.4 本章小结60-61
• 第5章 超疏水和超亲水表面的耐污染机理分析61-69
• 5.1 超疏水和超亲水表面的自清洁性能61-62
• 5.2 超疏水和超亲水表面与污染物之间的作用力62-65
• 5.3 具有超疏水和超亲水表面复合膜的污染和亲水化65-67
• 5.4 本章小结67-69
• 结论、建议和创新点69-71
• 参考文献71-77
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文77-79
• 致谢79

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