论文部分内容阅读
膜蒸馏是以膜两侧蒸汽压差为传质推动力的一种新型的膜分离技术，可广泛应用于海水淡化、水溶液的浓缩与提纯、废水处理以及超纯水制备等领域。但膜蒸馏在运行过程中，由于分离膜的膜孔易被液体润湿而导致通量及截留率下降，这也是膜蒸馏至今未能实现工业化的主要原因之一。提高膜面的疏水性能减少膜孔润湿，因此，对分离膜表面进行疏水改性尤为关键。合格的膜蒸馏用膜除了要具有表面疏水性强的特点外，还要有适宜的孔径、高孔隙率和机械强度，才能维持较高的通量和截留性能。论文主要从以下三个方面展开： (1)疏水和超疏水表面的构建及相分离机理的研究 VIPS法成膜过程中，分相过程对最终的膜结构产生重要影响，通过控制制备条件，可使铸膜液体系发生相应的分相过程，制备出具有不同结构的膜。由相图可知，低温和较高聚合物浓度的膜液体系先发生结晶分相，制备出的膜表面带有许多微纳米级的颗粒突起，类似于荷叶表面的微观结构，极大地提高了膜表面的粗糙度，增强了膜表面的疏水性，接触角高达142.5°；而对高温和低聚合物浓度体系来说，结晶线接近双节线，且双节线与旋节线间的不稳定区域较窄，膜液更易跨过旋节线而发生旋节线相分离，形成具有双连续的网状结构，且网节点上带有许多微纳米颗粒的表面，使膜表面具有更强的疏水性，接触角可高于150°。 (2)单层疏水膜的制备及膜蒸馏过程的研究 利用双层刮膜法将所制备的较强疏水性表面移植到膜蒸馏用膜上，制备出两侧都具有较强疏水性的PVDF单层薄膜，并将其应用于真空膜蒸馏(VMD)及直接接触膜蒸馏(DCMD)过程。分别考察了操作条件对通量及截留率的影响。膜蒸馏通量随料液温度的升高呈指数增长；膜两侧料液流速增大时，由于增大了边界层内的传热系数，提高了温度极化系数，使膜表面的温度更接近于料液主体温度，因此通量也相应增大；进料液浓度增大，膜蒸馏通量下降，其原因归结为料液中水活度的降低及浓差极化的影响；透过侧真空度显著影响VMD通量，随着透过侧真空度的增大，VMD通量呈近似线性增大。当热侧进料温度为73℃，冷侧温度为25℃，处理3.5 wt％NaCl水溶液，DCMD的通量高达18.9kg/(m2h)，NaCl截留率为99.8％；在相同进料温度下，透过侧压力为31.5kPa时，处理3.5 wt％NaCl水溶液，VMD的通量高达22.4kg/(m2h)，且膜在运行过程中并没有出现亲水化现象。利用尘-气模型较好的预测了DCMD及VMD的透过通量，并分别确定了各自的传质机理。结果表明，VMD过程的传质机理用努森-分子-粘性流混合模型来描述，而DCMD过程的传质机理用努森-分子扩散模型来描述。通过对比相同操作条件下的DCMD及VMD的通量及热效率，发现这种两侧都具有较强疏水性的单层薄膜更适用于VMD过程。 (3)亲水/疏水双层膜的制备及其在DCMD中的应用研究 利用双层刮膜法制备亲水/疏水双层膜。通过向下层膜液中添加亲水性物质聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或醋酸纤维素(CA)，提高支撑层的亲水性，而在上层较稀的膜液中添加非溶剂1，2丙二醇(PG)，提高上表面的疏水性，或对亲水性PVDF微滤膜表面进行疏水改性。将制备的双层膜应用于DCMD过程，结果发现，向膜液中添加PVP所制备的一面亲水一面疏水的膜具有较大的孔隙率及孔径，其通量较大，且蒸汽在双层膜中的传质机理可用努森-分子扩散模型来描述。当进料液温度为73℃，冷侧温度为25℃，处理3.5 wt％NaCl溶液，本实验所制备的亲水/疏水膜的DCMD通量可达16.4-25kg/(m2h)，截留率在99.7％以上，对比文献中其它膜的DCMD通量，该通量处在较高水平。