面向膜蒸馏过程的亲/疏水复合膜电纺制备及其应用

摘要

传统的膜蒸馏用疏水膜材料极易受到疏水性有机物污染，针对这一限制膜蒸馏技术应用的瓶颈问题，研究提出了以醋酸纤维素（Cellulose acetate，CA）、壳聚糖（Chitosan, CS）等亲水性聚合物为主要原料，采用静电纺丝技术，制备了具有自清洁功能、可抵抗油类污染的亲/疏水复合膜，并将其应用于含微量原油盐溶液的膜蒸馏浓缩过程。主要研究成果如下：
　　（1）考察了聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene, PTFE）疏水微孔膜表面形貌、孔径分布及其表面浸润性等功能指标，并进行了膜蒸馏盐浓缩与抗油污染测试。结果表明，所选用商业PTFE微孔膜呈“节点-纤维”结构，膜孔径分布集中在0.45μm，孔隙率在54.3％左右，膜表面水接触角高于130.5°、水下油接触角约为25.5°。以35 g/L NaCl溶液为原水，进料侧和渗透侧温度分别为53℃、20℃时，PTFE膜通量可达17.2 kg/( m2·h)；当盐溶液中含有1‰原油时，相同工况下，PTFE膜污染严重，电导率急剧上升，通量急剧下降直至为零。
　　（2）以PTFE为基膜，采用静电纺丝技术制备了CA-PTFE及硅纳米粒子（SiO2 Nano Par ticles, SiNPs）杂化CA/SiNPs-PTFE亲/疏水复合膜。所制备的CA、CA/SiNPs纳米纤维膜展现出三维空间网状结构，纤维直径集中在1200 nm，膜表面亲水性良好，具有优良的开孔结构。CA/SiNPs纳米纤维功能层表面粗糙度较高，形成了“微米-纳米”梯级粗糙结构，膜表面水接触角为45.5±2.3°、水下油接触角可达150.6±2.1°。膜蒸馏盐浓缩与抗油污染测试表明，亲/疏水复合膜可保障膜蒸馏过程稳定运行，且复合膜CA/SiNPs-PTFE通量可达17.2 kg/(m2·h)，说明静电纺丝技术制备的亲/疏水复合膜能用于膜蒸馏脱盐过程，且具有良好的抗油污染功能。
　　（3）以 PTFE为基膜，制备了聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol, PVA）-壳聚糖（PVA-CS）共混型亲/疏水复合膜。采用静电纺丝技术，纺制PVA-CS、PVA-CS-SiNPs抗污染功能表面，并用戊二醛（Glutaraldehyde, GA）对膜表面进行交联后处理。复合膜孔径分布较PTFE更窄、膜孔径集中在平均孔径附近；表面改性后的复合膜具有通透互穿的网络状结构，热压处理后膜孔径未见明显变化，孔隙率略有下降，膜表面浸润性未受影响。交联后处理可导致电纺纳米纤维变粗，而硅颗粒在纳米纤维中的分布则由附着转为内嵌、形成纤维包覆结构。PVA-CS-SiNPs/GA-PTFE复合膜纳米纤维层厚度仅有46μm，膜表面水接触角为2.0±1.5°、水下憎油角为159.2±1.4°，达到了水下超疏油水平。PVA-CS-SiNPs/GA-PTFE亲/疏水复合膜可保障膜蒸馏脱盐过程长期稳定运行，膜通量稳定在18.2 kg/(m2·h)左右，制备的复合膜具有稳定、超强的抗油污染功能特性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 脱盐技术现状

1.3 膜蒸馏技术

1.4 静电纺丝技术概述

1.5 本课题主要研究目的与内容

第二章 电纺CA-SiNPs/PTFE复合膜制备及其性能表征

2.1 实验材料与设备

2.2 溶液的配制

2.3 静电纺丝复合膜的制备及其纺丝参数

2.4 表征及测试方法

2.5 结果及讨论

2.6 本章小结

第三章 静电纺丝PVA-CS-SiNPs/GA-PTFE亲/疏水复合膜的制备及其性能表征

3.1 实验材料与设备

3.2 溶液的配制

3.3 静电纺丝复合膜的制备及其表面改性

3.4 表征及测试方法

3.5 结果及讨论

3.6 本章小结

第四章 结论与展望

参考文献

硕士期间取得的成果

致谢