PVDF高度疏水微孔膜制备及真空膜蒸馏过程污染特性研究

摘要

新型分离过程-膜蒸馏是一种以蒸汽压差为推动力的分离技术，与常规的膜分离过程及蒸馏过程相比，膜蒸馏具有操作温度低、蒸馏效率高、设备简单、操作方便且可充分利用废热等优点。但目前因存在膜成本高、疏水膜材料亲水化渗漏及膜蒸馏专用膜缺乏等问题，还未能大规模工业化应用。故增加膜的疏水性，甚至制备自清洁膜，以达到抗润湿、抗污染的目的，是目前一个亟待解决的问题。 首先，提出了热致相分离（TIPS）法制膜稀释剂之快速筛选方法—Hansen溶解度参数预测基础上的平衡吸液量测定或差示扫描量热仪(DSC)熔点测定法，得到了若干制备TIPS法PVDF微孔膜用候选稀释剂。进而，以膜结构、N2通量、孔隙率、力学强度等评价指标确认出几种较佳的单一稀释剂。基于环丁砜(SFL)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)作为单一稀释剂的各自优势，得到一组较佳的制膜配方—20wt%PVDF、5wt%SFL、95wt%DBP，并确认了相应的制膜条件—溶解温度180℃、刮膜温度150℃、冷却温度60℃。 其次，采用微模塑协同TIPS法制备高度疏水PVDF膜。分别选用光滑不锈钢板、120目和320目喷砂不锈钢板，利用上述所选稀释剂体系及制膜条件，所得膜底面接触角分别为116°(X膜)、131°(Y膜)、153°(Z膜)，其涵盖疏水、高度疏水、超疏水三种浸润表面情形。X、Y、Z膜均有较好的连通性，一个大气压下，各膜通量都在0.75m3/(m2·s)以上，拉伸强度都在4.0MPa以上。 再次，进行了静态膜污染研究。选用典型无机污染物NaCl、CaCO3，有机污染物腐殖酸（HA）、牛血清蛋白（BSA），分别在60℃、70℃、80℃条件下进行实验，从膜污染前后接触角变化、扫描电镜-能谱分析(SEM-EDS)结果方面分别考察膜材料的疏水性、实验温度、料液浓度对膜抗污染性能的影响。结果膜疏水性越高，其抗污染性越好，因水滴越易在高疏水性表面以滚动形式带走膜面污染物。而料液温度和浓度越高，膜的污染程度越大，污染物更易进入膜孔，从而导致膜污染。 最后，在一定膜蒸馏条件下（透过侧真空度0.086MPa，进料流量15L/h,操作10h），从膜蒸馏通量及馏出液电导率（或吸光度）变化、操作前后膜的接触角变化、SEM-EDS结果研究一定浓度的各污染物对Z膜的具体污染情况。可知，无机污染物NaCl在Z膜上析出晶体造成膜面污染，且伴有膜孔润湿，导致通量下降；而CaCO3以棒状沉积物形式沉淀在膜面上，膜内几乎未被污染,经酸洗可恢复高疏水性。由于有机污染物HA在水溶液中电离出H+带负电而相互排斥，所以HA在Z膜上呈分散的小颗粒状，并未严重堵塞膜孔，且经次氯酸钠结合超声波清洗后膜疏水性可恢复至原膜的87%以上；而BSA则在Z膜上形成凝胶，破坏膜的疏水性，且由EDS结果得出膜内有部分污染，导致通量快速下降，但经次氯酸钠结合超声波清洗后膜的疏水性都可恢复至83%以上。

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