超疏水PP复合膜制备及高盐溶液的膜蒸馏应用

摘要

水资源短缺成为全球性亟待解决的问题，海水淡化、废水处理等技术越发地备受关注。随着超滤、纳滤、反渗透等水处理技术以及其他行业发展日渐成熟，产生了越来越多的高盐废水，如何采用高效节能环保的方法对其进行处理是近年来的研究热点。膜蒸馏技术是一种新型的膜分离技术，针对高盐体系较其他方法更有优势。疏水微孔膜作为膜蒸馏的核心组件是膜蒸馏技术发展的关键，因此，制备出用于膜蒸馏过程的具有优异的抗润湿、抗污染、高通量等性能的超疏水膜十分重要。 针对上述问题，本论文展开超疏水膜的制备及其用于真空膜蒸馏处理高盐溶液的性能进行探究，充分利用超疏水膜的特性来提高膜蒸馏过程的处理效率。 本论文探究和优化了聚丙烯（PP）微孔膜通过表面改性方法制备超疏水膜的条件。通过负载SiO2纳米颗粒构建表面粗糙结构，再修饰以1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷降低膜表面能，成功制备出具有超疏水性的PP复合膜；通过调控负载的SiO2纳米颗粒粒径和负载量可以改变其表面润湿性，所制备的超疏水F/SiO2/PP-OH复合膜水接触角最高可达159°。 本论文建立了粗糙结构与成核能垒关系模型，模拟了负载的纳米颗粒尺寸对表面粗糙结构的影响，并将SiO2纳米颗粒的直径d作为特征参数引入到模型中，探究了临界成核尺寸与负载的纳米颗粒尺寸之比（d*nuclear/d）以及异相成核能垒之间的关系。实验结果表明，负载的纳米颗粒最优尺寸范围为50nm-80nm，可以使表面粗糙结构、成核能垒以及d*nuclear/d值达到最优化，以保证膜的抗污染性能。在Na盐体系下，考察了不同浓度（3.5wt%、15.0wt%）、不同操作条件（连续、间歇）下的真空膜蒸馏性能及膜的抗污染性，通过对比证明了所改性的膜具有良好的抗润湿性、抗污染性及运行稳定性。在15.0wt%浓度下，所制备的超疏水膜的污染率是PP原膜污染率的20%。 进一步研究了高浓度NaCl/MgCl2体系下，不同进料浓度、进料流量对膜的渗透通量及抗润湿性的影响。结果表明，随着原料液中MgCl2浓度增加，超疏水膜和PP原膜的渗透通量虽然均有衰减趋势，但超疏水膜的衰减程度较小。在同一浓度下，超疏水膜的渗透通量更为稳定，而PP原膜渗透通量衰减明显；随着进料流速的增加，可有效缓解浓差极化问题，使PP原膜和F/SiO2/PP-OH膜的膜蒸馏渗透通量得到显著提升；在高浓度NaCl/MgCl2盐体系下，制备的超疏水F/SiO2/PP-OH膜依然具有优异的抗润湿性和抗污染性。

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