薄层复合正渗透膜的结构设计及性能调控

发布时间：2020-05-21 10:54

【摘要】：随着社会的发展和人口的激增,淡水资源日趋减少,水污染日渐加剧,全球性淡水危机严重制约着人类社会的可持续发展。正渗透(FO)技术作为一种渗透压驱动的膜分离技术,具有操作条件温和、膜污染趋势轻等优势,在海水淡化和污水处理领域展现出巨大的应用潜力。薄层复合正渗透(TFC FO)膜是目前公认的较为先进的正渗透膜,它具有致密的聚酰胺(PA)截盐层和高分子多孔支撑层。其中TFC膜的PA截盐层对FO的水渗透和盐截留起着决定作用,制备可高效透水并对盐具有高效截留的PA层是提升TFC FO膜性能的关键。另外,TFC膜的高分子多孔支撑层也严重制约着FO膜的性能,通常易造成严重的内浓差极化现象,导致正渗透膜实际水通量远低于理论值。为此,优化TFC膜的PA层以及高分子多孔支撑层是提升FO膜性能的有效途径。本课题从优化复合正渗透膜的结构和性能入手,分别对聚酰胺(PA)层和支撑层的结构和性能进行了优化,建立了膜结构-性能的构效关系,测试评价了正渗透膜的水通量和盐截留。所取得的主要研究结果如下:(1)以碳纳米管为中间层的三层复合正渗透膜的制备及性能评价将碳纳米管(CNT)涂覆到大孔高分子支撑层表面形成纳米纤维多孔中间层,通过界面聚合反应制备PA截盐层,通过调控CNT的用量,制备出一系列具有不同中间层厚度的三层复合正渗透膜,并进行性能测试评价。研究结果发现:在1 mol/L NaCl作为汲取液,AL-DS(PA层朝向汲取液侧)模式下,所制的最优样(PES-CNT-PA-3)的水通量达到37.9 L m~(-2) h~(-1)(LMH),比相同测试条件下未引入CNT中间层的对照样提高5.5倍,反向盐通量低于0.5 g m~(-2) h~(-1)(gMH),性能显著优于目前文献报道的复合正渗透膜。这说明CNT中间层有利于调节界面聚合反应生成具有更高渗透性和选择性的PA层。另外,不同厚度CNT中间层可实现对PA层结构和性能的规律性调控,降低PA层对支撑层表面结构和性能以及膜材料的依赖,为优化PA层提供新的路径。(2)以碳纳米管为支撑层的双层复合正渗透膜的制备及性能评价为了进一步优化膜结构,首次直接以超薄CNT膜作为支撑层,制备出具有双层结构的超薄复合正渗透膜,并进行性能测试评价。研究结果发现:在1 mol/L NaCl作为汲取液,AL-DS模式下,最优样CNT-PA-3复合膜的水通量超过150LMH,比具有传统PES高分子基底膜的三层复合膜提高了约4倍,为目前文献报道中的最高值;水渗透系数A达到9.22±1.14 LMH bar~(-1),超过文献报道中多数TFC FO膜。双层复合膜的膜结构参数S仅为38μm,远低于多数文献报道值。这说明CNT多孔薄膜用作正渗透膜支撑层,既有利于生成高渗透性的PA层,又有利于降低膜结构参数S,优化膜结构,降低内浓差极化(ICP),极大提升复合膜的水通量,并制得高性能TFC FO膜。(3)独立自支撑的聚酰胺超薄单层膜的制备及正渗透性能评价为了更加深入理解PA截盐层结构和性能的构效关系,通过原位剥离方法在复合正渗透膜的基础上制备了无支撑层的PA超薄膜,并进行正渗透性能测试评价。研究结果发现:PA超薄膜的上、下表面在形貌结构和交联度上均存在较大的差异。具有丰富“荷叶状”结构的PA超薄膜有利于增加PA的表面积,获得较高的水通量,然而其中空的“荷叶状”结构形成了水力条件无法扰动的边界层,造成严重的浓差极化现象,其中PA膜结构参数为24μm;通过降低“荷叶状”结构的高度和数量,改变PA膜的结构和形貌可以实现对内浓差极化的调控,调控后的PA膜结构参数为14.2μm。该部分工作不仅首次发现并揭示了无支撑层的PA超薄膜ICP产生的机理,而且提出了相应的解决方案,同时修正了TFC FO膜的现有浓差极化模型,完善并加深了研究者对TFC FO膜内浓差极化产生机理的认识和理解。本文从调控膜结构入手,以优化膜性能为目标,制得了三种正渗透膜,详细测试评价了PA层、CNT中间层以及支撑层对膜性能的影响,研究了复合正渗透膜各层之间的相互影响机制,为进一步优化设计复合正渗透膜提供有益的借鉴和尝试。
【图文】：

示意图,原理,示意图,跨膜传质

图 1.1 正渗透原理示意图igure 1.1 Schematic illustration of FO proc膜过程，正渗透技术拥有诸多优点透过程中，水分子的跨膜传质为自17）。相比于反渗透过程，正渗透技高渗透压料液；（2）由于正渗透过较轻，可广泛应用于处理复杂水质正渗透过程膜污染轻并易于清洗，降低膜清洗带来的费用、降低运营术的发展现状与应用领域透技术的关键，长期以来一直受到

海水脱盐,盐层,渗透膜,水通量

第 1 章绪论要的问题在于膜的水通量和截盐率偏低，另外不适宜用于近几十年，众多研究不断优化提升薄层复合正渗透膜（T发成为性能优异的更为先进的正渗透膜（Ren 和 McCutc12）。TFCFO 膜由多孔支撑层和聚酰胺（PA）截盐层构成复合膜的机械强度，PA 截盐层实现盐和水的筛分。TFC ：相比醋酸纤维素 FO 膜，TFC FO 膜的水通量更高、截, 2012； Nathan 等, 2009），可以耐受较为宽泛的操作温TFC FO 膜允许对支撑层和截盐层分别进行优化，进而提
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院烟台海岸带研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ051.893

【参考文献】