论文部分内容阅读
膜蒸馏是一种热驱动型新型膜分离过程。它以疏水多孔膜为分离介质,在膜孔不被润湿的前提下,被处理料液中挥发性组分在膜两侧蒸汽压差的驱动下以蒸汽形式透过膜孔,因而该过程对非挥发性组分具有理论上100%的截留率。因此,膜蒸馏技术在海水及苦咸水淡化、化工料液浓缩等领域具有广阔的应用潜力。但发展至今,膜蒸馏技术仍未实现工业化应用,膜及膜组件性能不佳和膜材料可选范围有限是其中的主要原因。针对上述问题,本论文主要开展了以下三方面的研究工作:
(1)研究了两种不同的干化方式对所制PES膜结构及膜蒸馏性能的影响,包括自然干化和醇类液体置换干化;并采用原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)表征了PES膜的结构形貌,测定比较了其接触角、孔隙率、气体渗透性、水穿透压力(LEPw)及真空膜蒸馏(VMD)性能。结果表明,所制PES膜呈不对称双层结构,包括一定厚度的多孔海绵状皮层和指状大孔亚层,其中指状人孔贯穿于膜底部;经过干化处理,可将NIPS法制备的湿态PES膜转成可川于膜蒸馏过程的干态PES膜,该干态PES膜具有一定的LEPw值(＞0.15 Mpa)和较高的孔隙率(90%左右),常压下不被所处理的料液润湿,VMD运行测试中没有发生液体穿透现象,符合膜蒸馏膜的基本特征;不同的干化方式对PES膜断面结构影响较小,但对膜表面及皮层结构有较大影响,其中以异丙醇置换干化的效果相对最佳。本论文制备的PES膜展现出了优异的膜蒸馏性能,处理70℃下3.5 wt.%的NaCl水溶液时,VMD通量和脱盐率分别可达74.2kg/m2·h和99.99%;在70 h的VMD连续脱盐过程中,所制PES膜的性能也始终保持稳定;处理80℃下5 g/L的乳糖溶液时,VMD通量可达111.7 kg/m2·h,脱糖率接近100%,表明具有良好的膜蒸馏研究价值与应用前景。
(2)针对铸膜液组成对PES膜结构和VMD脱盐性能的影响进行了研究,重点考察了PES浓度、添加剂种类和浓度以及溶剂种类的影响。结果表明,相比于其他结构的膜,当PES膜具有较高孔隙率同时膜表面呈细小纳米级微孔结构而膜断面为双层结构时,能够提供更高的VMD性能,而通过铸膜液组成的合理配置,能够调控其结构尤其是断面结构中多孔海绵层厚度和指状大孔形貌。
(3)结合太阳能集热、动态旋转膜分离与膜蒸馏海水淡化三者的优点开发了太阳能真空旋转膜蒸馏集成技术并兼顾了系统的热量回收。设计加工了一套装填膜有效面积0.28 m2的太阳能真空旋转膜蒸馏海水淡化装备系统,现场考察了海水温度、膜板转速和膜下游侧真空度对系统性能的影响,同时还对真空旋转膜蒸馏过程中膜面边界层内的传热与传质进行了研究。结果表明,本文研制的真空旋转膜蒸馏海水淡化装置能够提供高达0.90～0.98的温差极化系数(TPC)和33 kg/m2·h的淡水通量(80℃、450r/min、真空度95 kPa),且计算通量与实测结果较为一致,为膜蒸馏过程提供了一种新的技术选择。计算与实测结果也同时表明,在高海水温度和高膜转速的情况下该装置运行过程将受膜面传质控制,这为下一步优化装置结构和高性能膜品种的选择提供了研究基础。