含氟高分子微孔膜的制备及膜蒸馏应用研究
发布时间：2020-10-13 02:55
膜蒸馏是一种新型蒸汽热驱动分离的新兴技术,其商业化发展却受到了相关膜蒸馏专用膜的限制。至今,仍然缺乏具有高性能且无分层的、针对膜蒸馏技术开发的专用膜。本文提出使用复合相分离法(NTIPS,即:非溶剂致相分离法联合热致相分离法)制备用于膜蒸馏(MD)应用的新型亲疏水双层复合膜。所制备的双层膜由相对薄的疏水性聚偏氟乙烯(PVDF)顶层和相对厚的亲水性聚偏氟乙烯和聚乙烯醇共混(PVDF-PVA)底层组成。通过采用简单的一步共铸工艺,获得了无分层的亲疏水双层膜。电子扫描显微镜(SEM)观察膜上下表面及截面形貌结构,傅立叶变换红外光谱仪(ATR-FTIR)晶型分析表明膜形成机理,其中疏水性顶层通过NTIPS机理形成,导致在其下形成指状孔的超薄较致密皮层;而亲水性亚层由热致相分离法(TIPS)诱导形成,产生具有高度连通性的胞状孔结构。研究了PVDF/PVDF-PVA亲疏水双层复合膜在不同操作条件下的直接接触式膜蒸馏(DCMD)性能,结果表明渗透通量随着流量的增加而增加;而料液盐含量在一定范围内对其影响不显著,疏水面朝向料液侧的模式的渗透通量明显高于亲水面朝向料液侧模式。随着疏水层PVDF浓度含量的增加,膜结构中指状孔越来越短,通量略微降低。凝胶浴温度影响成膜机理,对膜结构变化和膜通量有显著影响。通过膜厚度研究,调节平衡通量性能和机械强度之间的关系。在此研究基础上,20℃凝胶浴下制备出120μm的15wt%的PVDF疏水层浓度的PVDF/PVDF-PVA亲疏水双层复合膜,该膜在连续的MD运行中表现出稳定的脱盐率(≥99.5%),并且在80℃下的渗透通量高达165.3 kg·m~(-2)·h~(-1),这显著高于文献中报道的MD膜。在亲疏水双层复合膜应用于工业有机肥浓缩方面也开展了研究,考察了亲疏水双层复合膜的DCMD性能及其耐污染特性。膜的渗透通量在70℃料液温度下高达87kg·m~(-2)·h~(-1)。同时,膜表面的沉淀附着物很容易通过水清洗。与市售聚四氟乙烯(PTFE)膜相比,该膜在15小时连续操作中表现出优异的耐污染特性。
【学位单位】：宁波大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ051.893
【部分图文】：
图 1.1 膜蒸馏四种不同的操作方式[7]Figure1.1 Fourdifferenttypes ofmembranedistillation1.1.4 膜蒸馏技术的发展及展望膜蒸馏作为一种低成本，高效和节能的可替代性常规分离技术（如蒸馏和反渗透）的新型技术，在全世界范围内进行了广泛的研究。它是基于热过程的少数几项膜操作之一。因此，能源消耗原则上与传统的蒸发过程相同。然而，所需的操作温度远低于常规蒸馏的操作温度，因为不需要将料液加热到至沸腾。事实上，该过程可以在通常低于70°C 的温度下进行，并且由热和冷溶液的低温差（20℃）产生的蒸汽压差驱动。因此，低能废水和可替代能源如太阳能和地热能可以与 MD 系统相结合，用于低成本和高效能的液体分离系统。膜蒸馏技术可能会成为最有潜力的新型膜技术之一。膜蒸馏被认为是利用干旱地区充足的太阳能的一个可替代性方案，因此主要用于海水淡化，从而限制了其广阔的应用范围[46]。该技术除了在实验室规模的研究，可以在商业规模上看到其应用。Jensen 等人
图 2.1 高温自动刮膜机示意图和刮膜过程示意图Figure2.1 Schematicdiagramforautomaticcastingmachineandco-casting procedure2.3.2 PVDF 单层膜的制备PVDF 单层膜的制备使用了 NTIPS 方法，用以比较 PVDF/PVDF-PVA 亲疏水双层复合膜的结构和性能。将 PVDF 在 150℃油浴锅中溶解，机械搅拌 4 小时后脱泡，在150℃自动刮膜机上浇铸成型冷却于 20℃的凝胶浴中，制备了一系列不同浓度（Cp=12 20wt％）的 PVDF 聚合物溶液。 单层 PVDF 膜的膜厚 δp可以通过刮膜过程中单个刮刀的高度来控制。2.3.3 PVDF/PVDF-PVA 亲疏水双层复合膜的形貌结构表征将膜样品浸入液氮中断裂，然后用真空喷金仪喷铂金。使用扫描电子显微镜（SEM）观察双层复合平板膜的顶/底表面和横截面。
（e）截面亲疏水界面（10000×） （f）截面疏水层（10000×）图2.2 PVDF / PVDF-PVA双层符合膜的表面和横截面形貌Figure2.2 Surfaceand cross-sectionmorphologyofhydrophobic/hydrophilicdual-layerPVDF/PVDF-PVAmembranes(membranefabricationparameters:Cd=15wt%,δd=150μm,Tc=20℃.)2.4.2 PVDF/PVDF-PVA 亲疏水双层复合膜的相分离机理通过结合 NIPS 和 TIPS 机理来解释该 PVDF / PVDF-PVA 双层复合膜形成的膜结构形态。疏水层中非对称结构，即超薄致密表皮层和指状孔结构主要由于 NIPS 机理形成，而指状孔下面的双连续网络则是通过 TIPS 机理形成。这是由于高温铸膜液浸入凝胶浴中成型，迅速淬火形成致密表层；由于水（非溶剂）和 CPL 稀释剂的相对快速交换而产生致密表皮层下方的指状孔结构，该过程主要遵循 NIPS 机理。另一方面，疏水层的双连续网孔结构是由 TIPS 形成的典型结构。因此，疏水层是由 NIPS 机理和 TIPS机理（即，NTIPS 机理）共同作用而形成，同时，疏水层的特征结构和形态与之前开发的 NTIPS 机理膜也相一致[5]。在亲水层中，均匀多孔的细胞状孔结构由 TIPS 机理形
【参考文献】
本文编号：2838638
【学位单位】：宁波大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ051.893
【部分图文】：
图 1.1 膜蒸馏四种不同的操作方式[7]Figure1.1 Fourdifferenttypes ofmembranedistillation1.1.4 膜蒸馏技术的发展及展望膜蒸馏作为一种低成本，高效和节能的可替代性常规分离技术（如蒸馏和反渗透）的新型技术，在全世界范围内进行了广泛的研究。它是基于热过程的少数几项膜操作之一。因此，能源消耗原则上与传统的蒸发过程相同。然而，所需的操作温度远低于常规蒸馏的操作温度，因为不需要将料液加热到至沸腾。事实上，该过程可以在通常低于70°C 的温度下进行，并且由热和冷溶液的低温差（20℃）产生的蒸汽压差驱动。因此，低能废水和可替代能源如太阳能和地热能可以与 MD 系统相结合，用于低成本和高效能的液体分离系统。膜蒸馏技术可能会成为最有潜力的新型膜技术之一。膜蒸馏被认为是利用干旱地区充足的太阳能的一个可替代性方案，因此主要用于海水淡化，从而限制了其广阔的应用范围[46]。该技术除了在实验室规模的研究，可以在商业规模上看到其应用。Jensen 等人
图 2.1 高温自动刮膜机示意图和刮膜过程示意图Figure2.1 Schematicdiagramforautomaticcastingmachineandco-casting procedure2.3.2 PVDF 单层膜的制备PVDF 单层膜的制备使用了 NTIPS 方法，用以比较 PVDF/PVDF-PVA 亲疏水双层复合膜的结构和性能。将 PVDF 在 150℃油浴锅中溶解，机械搅拌 4 小时后脱泡，在150℃自动刮膜机上浇铸成型冷却于 20℃的凝胶浴中，制备了一系列不同浓度（Cp=12 20wt％）的 PVDF 聚合物溶液。 单层 PVDF 膜的膜厚 δp可以通过刮膜过程中单个刮刀的高度来控制。2.3.3 PVDF/PVDF-PVA 亲疏水双层复合膜的形貌结构表征将膜样品浸入液氮中断裂，然后用真空喷金仪喷铂金。使用扫描电子显微镜（SEM）观察双层复合平板膜的顶/底表面和横截面。
（e）截面亲疏水界面（10000×） （f）截面疏水层（10000×）图2.2 PVDF / PVDF-PVA双层符合膜的表面和横截面形貌Figure2.2 Surfaceand cross-sectionmorphologyofhydrophobic/hydrophilicdual-layerPVDF/PVDF-PVAmembranes(membranefabricationparameters:Cd=15wt%,δd=150μm,Tc=20℃.)2.4.2 PVDF/PVDF-PVA 亲疏水双层复合膜的相分离机理通过结合 NIPS 和 TIPS 机理来解释该 PVDF / PVDF-PVA 双层复合膜形成的膜结构形态。疏水层中非对称结构，即超薄致密表皮层和指状孔结构主要由于 NIPS 机理形成，而指状孔下面的双连续网络则是通过 TIPS 机理形成。这是由于高温铸膜液浸入凝胶浴中成型，迅速淬火形成致密表层；由于水（非溶剂）和 CPL 稀释剂的相对快速交换而产生致密表皮层下方的指状孔结构，该过程主要遵循 NIPS 机理。另一方面，疏水层的双连续网孔结构是由 TIPS 形成的典型结构。因此，疏水层是由 NIPS 机理和 TIPS机理（即，NTIPS 机理）共同作用而形成，同时，疏水层的特征结构和形态与之前开发的 NTIPS 机理膜也相一致[5]。在亲水层中，均匀多孔的细胞状孔结构由 TIPS 机理形
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 王晓琴;马浴铭;王敏达;赵树英;;膜蒸馏技术在水处理中的应用[J];工业水处理;2008年12期
2 于德贤,于德良,于万波,李新培,韩彬;膜蒸馏海水淡化研究[J];膜科学与技术;2002年01期
本文编号：2838638
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