超疏水静电纺丝纤维膜的制备及膜蒸馏性能研究

发布时间：2017-09-13 02:10

  本文关键词：超疏水静电纺丝纤维膜的制备及膜蒸馏性能研究

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【摘要】：目前阻碍膜蒸馏技术应用的最大问题是膜通量低、易发生亲水性泄漏。静电纺丝纳米纤维膜孔隙率高、易于调控膜结构,在膜蒸馏应用上具有巨大的潜力。本研究以聚偏氟乙烯(PVDF)为基本制膜材料,以静电纺丝法为基本制膜方法。首先探索和优化了静电纺丝法制备PVDF纳米纤维膜的制备条件,进一步受到荷叶超“疏水效应”的启发,开发了两种新的制备超疏水膜的方法：PVDF/silica混合静电纺丝法和静电喷雾／纺丝同步制膜法,分别制备出了超疏水PVDF/silica复合纳米纤维膜和三维多孔超疏水膜,探索了主要制膜条件对膜性能的影响。主要研究结果如下：(1)考察了不同聚合物浓度、溶剂组成、纺丝电压、接收距离和滚筒转速对PVDF膜形貌结构的影响。研究表明,增加PVDF浓度,可以减少“珠串”和“纺锤,,结构,增大纤维直径；在溶剂二甲基甲酰胺(DMAc)中加入丙酮,可以使“珠串”结构消失,纤维直径分布均匀。升高纺丝电压,纤维的直径先减少后增大。当接收距离低于5 cm,纤维出现严重溶并,增大接收距离,可使纤维直径变细。当滚筒转速低于500 rpm时,纤维膜结构蓬松；而当转速增大到2200 rpm时,纤维取向性增大,网状结构弱化。对所制备的纯PVDF膜进行膜蒸馏测试,结果表明：膜通量随跨膜温差和流速的提高而增大,随厚度增大而下降,随测试时间增长而衰减。(2)以PVDF和纳米二氧化硅(silica)为纺丝材料,通过混合静电纺丝法一步制备出了超疏水PVDF/silica复合纳米纤维膜。研究发现,纳米二氧化硅的添加可以提高纤维平均直径和膜的疏水性,当添加量大于PVDF的40%时,复合膜具有超疏水性,原因是纳米二氧化硅在纤维的表面形成了次级凸出结构,有利于在膜和液体间形成“气囊”,提高了疏水性。当纳米二氧化硅添加量低于PVDF质量的40%时,纤维的抗拉强度达到3.18 MPa,远高于纯PVDF膜(1.5 MPa)。和纯PVDF纳米纤维膜相比,复合膜的通量、出水水质和运行稳定性都有所提高。综合考虑纳米二氧化硅对复合膜性能的影响,取其添加量为PVDF质量的40%时为最优剂量。(3)将纳米二氧化硅分散在DMAc中作为喷雾液,以PVDF/DMAc作为纺丝液,采用静电喷雾／纺丝同步法制备出了三维多孔超疏水膜。在纳米二氧化硅浓度为10 wto%且对喷雾液超声分散3h的条件下,所制备的膜接触角可达162°,滚动角小至3.6°。膜蒸馏测试发现,三维多孔超疏水膜比表面超疏水膜的具有更高的抗润湿性,归因于其表面和内层都具有三维超疏水结构,在表面被润湿以后,膜内层又可以形成新的气-液-固疏水界面,从而有效的阻止液体向内层润湿。三维多孔超疏水膜通量高达32 L h-m-2,出水水质低于4μS cm-1,且在150小时的测试内运行稳定,同时该膜的油水分离效率高达95.5%,说明该膜在膜蒸馏和油水分离上均很大的应用潜力。
【关键词】：静电纺丝 纳米纤维 超疏水 静电喷雾 膜蒸馏 PVDF
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.893;X703
【目录】：

• 摘要4-5
• abstract5-10
• 第1章 绪论10-26
• 1.1 脱盐技术研究及进展10-11
• 1.1.1 热法脱盐10-11
• 1.1.2 膜法脱盐11
• 1.1.3 离子交换法脱盐11
• 1.2 膜蒸馏技术概述11-17
• 1.2.1 膜蒸馏技术及其分类12-14
• 1.2.2 膜蒸馏过程的主要机理14-16
• 1.2.3 膜蒸馏技术的主要特点16-17
• 1.3 MD膜的特点与基本制备方法17-20
• 1.3.1 MD膜的主要特点17-19
• 1.3.2 MD膜的制备材料19
• 1.3.3 传统制膜工艺19-20
• 1.4 静电纺丝法制备MD膜的研究进展20-23
• 1.4.1 静电纺丝技术基本原理20
• 1.4.2 静电纺丝过程的影响因素20-21
• 1.4.3 静电纺丝法制备MD膜的研究进展21-23
• 1.5 研究思路、研究内容和创新性23-26
• 1.5.1 本文研究思路23-24
• 1.5.2 本文研究内容24-25
• 1.5.3 创新性25-26
• 第2章 静电纺丝PVDF纤维膜制备及膜蒸馏影响因素研究26-39
• 2.1 实验材料及方法26-30
• 2.1.1 实验材料26-27
• 2.1.2 试验方法27-28
• 2.1.3 分析项目及方法28-30
• 2.2 静电纺丝PVDF膜制备影响因素研究30-35
• 2.2.1 聚合物浓度对膜形貌和结构的影响30-31
• 2.2.2 溶剂成分对膜形貌和结构的影响31-32
• 2.2.3 电压对膜形貌和结构的影响32-33
• 2.2.4 接收距离对膜形貌和结构的影响33-34
• 2.2.5 滚筒转速对膜形貌和结构的影响34-35
• 2.3 膜蒸馏影响因素研究35-38
• 2.3.1 原料液流速对膜初始通量的影响35-36
• 2.3.2 原料液温度对膜初始通量的影响36
• 2.3.3 膜厚度对膜初始通量的影响36-37
• 2.3.4 运行时间对膜性能的影响37-38
• 2.4 本章小结38-39
• 第3章 混合静电纺丝法制备超疏水PVDF/silica纳米纤维复合膜及其性能研究39-55
• 3.1 实验材料及方法39-42
• 3.1.1 实验材料39-40
• 3.1.2 试验方法40-41
• 3.1.3 分析项目及方法41-42
• 3.2 结果与讨论42-54
• 3.2.1 膜的形貌和结构42-44
• 3.2.2 膜的疏水性及机理分析44-48
• 3.2.3 力学性能48-50
• 3.2.4 膜蒸馏性能50-52
• 3.2.5 和其他膜的比较52-54
• 3.3 本章小结54-55
• 第4章 静电喷雾/纺丝同步法制备三维多孔超疏水膜及其性能研究55-71
• 4.1 实验材料及方法55-58
• 4.1.1 实验材料55-56
• 4.1.2 试验方法56-57
• 4.1.3 分析项目及方法57-58
• 4.2 结果与讨论58-69
• 4.2.1 膜的形貌和结构58-60
• 4.2.2 膜的疏水性60-64
• 4.2.3 膜蒸馏性能64-66
• 4.2.4 抗润湿性机理66-68
• 4.2.5 除油性能研究68-69
• 4.3 本章小结69-71
• 第5章 结论与建议71-73
• 5.1 结论71-72
• 5.2 建议72-73
• 参考文献73-81
• 致谢81-82
• 攻读硕士期间公开发表的论文与研究成果82

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本文编号：840893