膜蒸馏用超疏水纳米纤维膜的结构设计及性能研究
发布时间：2020-12-25 02:52
水资源匮乏、水环境污染是当今世界普遍存在的问题,与此同时,地球表面约97.5%的水为海水或者苦卤水,因其含盐量过高而无法直接用于人类的生产和生活。膜蒸馏作为一项新型高效的膜分离技术,可充分利用太阳能、地热、废热等低品质热源,在海水淡化和废水处理等领域具有广泛的应用前景。膜蒸馏是在热驱动条件下采用高疏水微孔膜,以膜两侧蒸汽压差为传质动力的非等温膜分离过程,通过阻隔膜两侧的水溶液同时允许水蒸气穿过膜孔实现对盐水分离的目的。与一般的热法脱盐技术相比,膜蒸馏具有较低的操作温度;操作压力比其他以压力为推动力的膜分离过程显著降低。分离膜是膜蒸馏技术的核心,因此新型高性能膜蒸馏用膜的研发是实现膜蒸馏技术规模化应用的关键因素。理想的膜蒸馏用膜应该具有足够的疏水性、微孔性和良好的透气性能以便于在长时间稳定运行过程中保持高效的水蒸气的渗透传输,同时应具备良好的机械强度、化学及热稳定性。但是传统的疏水微孔滤膜存在孔隙率低、闭孔结构和疏水性不足的问题,导致其渗透通量和长时间截留效果均不理想。相比之下,由静电纺丝技术制备的疏水纳米纤维多孔膜具有高表面积体积比、高孔隙率、相互连通的孔道结构以及可控的膜厚度等特点,...
【文章来源】：东华大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：155 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
全疏液膜制备过程示意图[41]
PVDF是一种半结晶聚合物,性能次于PFTE,其表面能为30.3×10-3N/m[68]。PVDF的综合性能比较均衡,很容易溶解在常用溶剂中,如二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAC)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)。得益于优异的制膜性能,PVDF在膜蒸馏领域得到广泛的应用。PP也具有高度结晶的结构,其表面能(30×10-3N/m)比PTFE相对更高[61],耐氧化性相对较差。但是在这三种疏水材料中,PP的热传导系数最低。根据Al-Obaidani等人的研究,具有较低导热系数的膜材料显示出更高的渗透通量和热效率(如图1-4所示)[69]。同时,PP材料具有潜在的高抗湿性和良好的化学稳定性[70]。特别是,PP廉价易得并且可以加热溶解在部分非极性溶剂中,主要通过热致相分离法以及拉伸法制备成膜。
静电纺丝是一种新兴的制备微纳米纤维的有效技术,其原理是利用高压静电场使聚合物溶液带电,液滴在静电斥力的作用下变成泰勒锥并克服液滴表面张力形成射流,经过电场进一步拉伸固化,无序堆积在接收装置上,形成静电纺纳米纤维膜。如图1-5所示,静电纺丝装置主要包括推进泵、金属针头、高压电源和接收装置[83]。纤维形貌和取向主要受溶液性质(溶液浓度、聚合物分子量、溶液电导率、溶剂的挥发性)、操作条件(电压、推进速率和接收距离)和环境因素(温度和湿度)的影响[84]。通过调控纺丝参数,具有不同纤维微观结构和宏观形貌的纳米纤维分离膜可通过静电纺丝技术制备[85,86]。由于具有高孔隙率、比表面积大、结构厚度可控以及易功能化等优势,越来越多的研究者将纳米纤维膜应用于膜蒸馏领域[83]。目前,科研人员基于纳米纤维基体,通过结合不同的高分子合成、改性和后处理方法,已经成功研制出一批性能优良的膜蒸馏用纳米纤维分离膜。2008年,Feng等人[87]首次报道利用静电纺丝技术制备纳米纤维多孔膜应用于气隙膜蒸馏来生产饮用水。研究人员将浓度为18 wt%的PVDF溶解在DMF中,电纺出纤维直径约为500 nm,水接触角为130°的纳米纤维膜。在不同浓度的Na Cl溶液(1%、3.5%、6%)以及15-60℃的温度差范围内对纳米纤维进行膜蒸馏测试(如图1-6所示)。气隙膜蒸馏试验表明渗透通量随温差的增加呈指数增加,在3.5 wt%的NaCl浓度和温差60℃的条件下,PVDF纳米纤维膜的渗透通量为11-12 kg/m2h,脱盐率在98.7-99.9%范围内,产出的水达到可饮用的标准,充分证明了将静电纺纳米纤维膜应用于膜蒸馏的可行性。Liao等人[88]对比了静电纺纳米纤维膜与传统商业微孔PVDF膜的膜蒸馏性能,发现其水通量要远高于商业膜。
本文编号：2936812
【文章来源】：东华大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：155 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
全疏液膜制备过程示意图[41]
PVDF是一种半结晶聚合物,性能次于PFTE,其表面能为30.3×10-3N/m[68]。PVDF的综合性能比较均衡,很容易溶解在常用溶剂中,如二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAC)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)。得益于优异的制膜性能,PVDF在膜蒸馏领域得到广泛的应用。PP也具有高度结晶的结构,其表面能(30×10-3N/m)比PTFE相对更高[61],耐氧化性相对较差。但是在这三种疏水材料中,PP的热传导系数最低。根据Al-Obaidani等人的研究,具有较低导热系数的膜材料显示出更高的渗透通量和热效率(如图1-4所示)[69]。同时,PP材料具有潜在的高抗湿性和良好的化学稳定性[70]。特别是,PP廉价易得并且可以加热溶解在部分非极性溶剂中,主要通过热致相分离法以及拉伸法制备成膜。
静电纺丝是一种新兴的制备微纳米纤维的有效技术,其原理是利用高压静电场使聚合物溶液带电,液滴在静电斥力的作用下变成泰勒锥并克服液滴表面张力形成射流,经过电场进一步拉伸固化,无序堆积在接收装置上,形成静电纺纳米纤维膜。如图1-5所示,静电纺丝装置主要包括推进泵、金属针头、高压电源和接收装置[83]。纤维形貌和取向主要受溶液性质(溶液浓度、聚合物分子量、溶液电导率、溶剂的挥发性)、操作条件(电压、推进速率和接收距离)和环境因素(温度和湿度)的影响[84]。通过调控纺丝参数,具有不同纤维微观结构和宏观形貌的纳米纤维分离膜可通过静电纺丝技术制备[85,86]。由于具有高孔隙率、比表面积大、结构厚度可控以及易功能化等优势,越来越多的研究者将纳米纤维膜应用于膜蒸馏领域[83]。目前,科研人员基于纳米纤维基体,通过结合不同的高分子合成、改性和后处理方法,已经成功研制出一批性能优良的膜蒸馏用纳米纤维分离膜。2008年,Feng等人[87]首次报道利用静电纺丝技术制备纳米纤维多孔膜应用于气隙膜蒸馏来生产饮用水。研究人员将浓度为18 wt%的PVDF溶解在DMF中,电纺出纤维直径约为500 nm,水接触角为130°的纳米纤维膜。在不同浓度的Na Cl溶液(1%、3.5%、6%)以及15-60℃的温度差范围内对纳米纤维进行膜蒸馏测试(如图1-6所示)。气隙膜蒸馏试验表明渗透通量随温差的增加呈指数增加,在3.5 wt%的NaCl浓度和温差60℃的条件下,PVDF纳米纤维膜的渗透通量为11-12 kg/m2h,脱盐率在98.7-99.9%范围内,产出的水达到可饮用的标准,充分证明了将静电纺纳米纤维膜应用于膜蒸馏的可行性。Liao等人[88]对比了静电纺纳米纤维膜与传统商业微孔PVDF膜的膜蒸馏性能,发现其水通量要远高于商业膜。
本文编号：2936812
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