论文部分内容阅读
正渗透(FO)过程是能耗低、回收率高的新兴绿色膜分离过程，在海水淡化、污水处理、食品加工、能源、航空航天等领域有巨大的潜在应用价值。作为正渗透过程的核心组件，正渗透膜由致密的活性层和多孔的支撑层组成。多孔支撑层内部液体流动雷诺数约为10-5，传质效率较低，会产生严重的浓差极化，制约着正渗透膜的通量。针对支撑层中的浓差极化，正渗透膜制备的“过程-结构-性能”关系还有待完善;荷电粒子对支撑层传质性能的强化作用还未见文献报道。本课题首先研究了刮膜湿度对支撑层表面结构的影响，得出相对较优的制备条件。在此基础上，向支撑层中掺杂大孔阳离子交换树脂粉末或亚微米荷电聚合物粒子以优化支撑层结构。结合理论计算和结构表征提出荷电粒子强化支撑层传质性能的作用机理，为高效正渗透膜的设计提供了新视野，加速了正渗透过程的工业化进程。 本文的主要研究工作及成果有如下几方面: (1)本文首先在不同刮膜湿度下制得支撑层，并通过SEM、AFM表征支撑层的厚度、皮层厚度、表面粗糙度和孔径，结合非溶剂诱导相分离原理得出刮膜湿度影响支撑层结构的机理。进一步地，我们借助界面聚合技术在支撑层表面复合活性层，通过SEM、AFM和XPS表征活性层的形貌、粗糙度和交联度，得出支撑层表面粗糙度对活性层形貌和性能的影响。实验发现，虽然刮膜过程中扩散进入聚合物液膜的水分很少，但是这部分水分不可忽略，它们会改变支撑层表面粗糙度和皮层厚度。支撑层表面粗糙度会影响界面聚合的速率，支撑层皮层厚度则是影响内部浓差极化的关键因素。最终，我们通过对比不同刮膜湿度下得到的正渗透膜性能，选择了相对较优的刮膜湿度。 (2)为在保留正渗透膜盐截留率的基础上提高其水通量，本文将大孔强酸型阳离子交换树脂(IER-Na)粉末掺杂在聚合物溶液中，并将该混合物刮制成液膜，通过非溶剂诱导相分离制得掺杂有IER-Na的支撑层。首次将这种复合支撑层用于制备正渗透膜。实验表明，掺杂IER-Na后，正渗透膜的水通量显著提高，以1.5mol·L-1NaCl溶液为驱动液，去离子水为料液，在AL-DS模式下可达45L·m-2·h-1，而盐截留率则维持在95％以上。由SEM和EDS表征可知，IER-Na粉末分布在支撑层与活性层的界面和支撑层的孔壁。由水分子在活性层、IER-Na和聚砜中的扩散系数可知，IER-Na分别为正渗透膜的活性层和支撑层提供了高效的水传质通道。另一方面，根据道南定律可计算得到该高效水传质通道对一价离子的截留率为42.1％。所以，由IER-Na引入的传质通道在加强支撑层内部水分子传质的同时，截留了部分盐类离子，使我们能在提高正渗透膜水通量的同时维持其盐截留率。 (3)为了提高荷电粒子在支撑层中的分散性，本文设计合成了苯乙烯-co-甲基丙烯酸钠共聚物粒子。由SEM表征可知，粒子的呈单分散，粒径约为440nm。结合XPS、元素分析和IR表征可知，粒子的电荷集中分布在外表面。将粒子掺杂在正渗透膜的支撑层中，以1.5mol·L-1NaCl溶液为驱动液，去离子水为料液，在AL-DS模式下正渗透膜的水通量最多可提高至49L·m-2·h-1，盐截留率约为92％。借助SEM表征发现，粒子均匀地分布在正渗透膜支撑层孔壁中，在提高支撑层孔隙率的同时降低了支撑层皮层的厚度。另一方面，粒子表面的电荷能提高支撑层内的渗透压，缓解AL-FS模式下的内部浓差极化。在AL-FS模式下，掺入支撑层的粒子最多能使正渗透膜的结构参数从1.55mm降至0.534mm。 (4)基于前期工作，我们了解到，分布在支撑层与活性层界面的IER-Na粉末是提高正渗透膜性能的关键之一。因此我们从十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物(F127)中筛选出SDBS作为分散剂。进一步优化SDBS和IER-Na的比例可知，正渗透膜的水通量最多可提高至63L·m-2·h-1，盐截留率约为92％。