硅烷偶联剂改性聚丙烯中空纤维膜的制备及膜蒸馏应用

发布时间：2020-10-13 14:09

　　 真空膜蒸馏以疏水性膜为介质,热溶液通过分离膜一侧,另一侧抽真空以增强传质驱动力,热溶液中水分子蒸发气化通过膜孔冷凝变成液体,从而达到水分离或提纯的目的。关于真空膜蒸馏技术所用的膜材料,其疏水性越高越好,以确保液体的保留和仅气相通过膜孔的通道。制备膜蒸馏用膜的最常用的聚合物材料是聚四氟乙烯(PTFE),聚丙烯(PP)和聚偏氟乙烯(PVDF),本文选用聚丙烯(PP)中空纤维膜,因为其在材料和制造成本方面相对有利。首先以PP中空纤维膜为基材,对其进行超疏水改性。通过改进的溶胶凝胶法制备纳米SiO2颗粒,为了提高SiO2的疏水性能,用甲基三乙氧基硅烷(MTES),乙烯基三乙氧基硅烷(VTES),异丁基三乙氧基硅烷(ITES)和正辛基三乙氧基硅烷(OTES)这些低表面能的硅烷偶联剂分别对其改性。并加入PP颗粒和非溶剂环己酮,制备了均相涂覆液,应用相转化原理和浸渍涂覆法涂覆于PP中空纤维膜表面。对使用相应烷基硅烷改性的膜分别命名为MTES-PP、VTES-PP、ITES-PP、OTES-PP。通过透射电子显微镜(TEM)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、冷场扫描电镜(SEM)、接触角测量仪(DSA)、原子力显微镜(AFM)等对改性膜进行表征,研究了不同的改性条件对改性膜的影响。当不同链长硅烷与SiO2的摩尔比为0.57,SiO2的含量为4.0 wt%、PP颗粒的含量为2.5 wt%、非溶剂环己酮的含量为15 wt%时,改性膜的外表面均覆盖了一层微纳米粗糙结构。硅烷偶联剂可以显著提高SiO2的分散性,降低其表面能,OTES-PP膜接触角最大,达到153°。选择疏水性最好的OTES-PP膜与原PP膜进行一系列真空膜蒸馏对比实验。随着温度的增加、真空压力的增加、氯化钠浓度的降低,两种膜的渗透通量逐渐增加。当30 h长时间操作时,原PP膜和OTES-PP膜的渗透通量均略有降低。短时间内,两种膜的渗透电导率均稳定在2～7μS/cm,截留率高于99.99%。当操作时间达到30 h时,PP膜的渗透电导率增加至50 μS/cm,而OTES-PP膜基本不变。OTES-PP膜显示了良好的抗润湿性,可以为处理海水淡化提供广泛的潜在应用。
【学位单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ051.893
【部分图文】：

?天津工业大学硕士学位论文???压力，不受高压系统的特殊要求束缚，如重型的管道，复杂的泵和维护需求［８］。??（２）由于ＭＤ过程使用的膜只允许水蒸气通过并保留所有非挥发性的物质，??更耐污染，并且理论上可能１００％排斥离子和大分子［９］。??（３）?ＭＤ操作温度低于常规蒸馏（反渗透，纳滤，超滤和微滤），在比其??他热系统更低的温度下即可运行，从而可以使用废物级热量驱动，包括太阳能，??地热能以及与低温工业流相关的废物级能量。该工艺所需要的零件数量明显减少，??并且由于蒸汽空间减少，因此占地面积小得多［１°］。??根据诱导穿过膜的蒸汽压力梯度和从渗透物侧收集所输送的蒸汽的方法，??ＭＤ过程可分为四种基本配置，如图１－１所示［１１］。所有配置的共同特征是膜的一??侧直接接触进料溶液。??ｒｍｆｉＦｅｅｄ?／ｎｃｏｏ／ｅｆｉｆ?ｏｕｆ??

Ｗｅｎｚｅｌ发现液体与粗糙表面的接触角不同于液体与光滑表面的。１９３６年，??Ｗｅｎｚｅｌ第一个通过液／固界面区域方法将接触角与表面粗糙度联系起来［Ｍ］。??Ｗｅｎｚｅｌ假设液体完全渗透到由表面粗糙度引起的凹槽中（如图１－３?（ａ）），他将??几何粗糙度系数ｒ定义为固体与液体接触面之间实际面积与表观面积之比，得出??了著名的Ｗｅｉｉｚｅ丨方程，如下公式１－２：??ｃｏｓ９ｗ＝ｒｃｏｓ８?公式（１?－２）??０表示表观接触角或者杨氏接触角，０ｗ表示材料的表观接触角。如图３ａ所??示，粗糙表面上突起的凹槽完全被液滴填满［３７］，显然固液界面的接触面积总是大??于表面表观接触面积，即ｒ总是大于１。当０?＜９０°时，粗糙度系数１？的增加减小??了?０ｗ；但是如果０?＞９０°?，则粗糙度系数的增加导致０ｗ的增加。也就是说对??于亲水性材料，构建粗糙度有利于其亲水性的提高；同时对于疏水性材料，构建??粗糙度有利于其疏水性的提高。??Ｗｅｎｚｅｌ方程是一个简单的模型

构和化学组成进行了大量研究。２００２年，江等人？最新发现，在荷叶表面的每??个微乳突上都覆盖着细小的枝状纳米结构。??图１－４显示了荷叶的典型ＳＥＭ图像，荷叶表面有许多随机分布的微乳突（图??１－４?（ｂ）：），它们的平均大小约为１０?｜ｉｍ，这些乳突的平均间距约１２?ｐｍ。每个乳??突表面分布有直径约为１２０?ｎｍ的细枝状纳米结构，正如图１－４?（ｃ）显示了单个??乳突的高分辨率ＳＥＭ图像，就好像荷叶上遍布着一个接一个的“小山包”，“山??包”上长满了“绒毛”。这些微乳突和纳米毛的多尺度结构提供了气穴的形成，??当尺寸远大于这种结构的水滴落在叶面上时，只能同叶面上“小山包”的凸起形??成的几个点接触，而不会润湿整个表面［４２］。在这种情况下，正像１．３１２所阐述的??Ｃａｓｓｉｅ－Ｂａｘｔｅｒ方程，当ｆｓ—０，宏观接触角０Ｃ接近１８０°。也就是说，多尺度结??构造成荷叶表面和水滴之间的最低接触面积
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本文编号：2839270