基于PTFE中空纤维膜的膜蒸馏技术处理高盐溶液的研究

摘要

膜蒸馏作为一种新型膜分离技术被广泛关注，它是以疏水性微孔膜为介质，利用膜两侧蒸汽压差使热侧液体中挥发性组分以蒸汽形式透过膜孔，到达冷侧并被冷凝成液相，其他组分被阻挡在热侧液中，以此过程来实现混合物分离、提纯的目的。用于膜蒸馏过程的膜材料应满足疏水性、多孔性和耐高温等要求。聚四氟乙烯(PTFE)具有良好的疏水性、化学和温度稳定性等优点，是膜蒸馏的理想材料。PTFE微孔膜形式可分为平板膜和中空纤维膜。由于中空纤维膜形式具有单位体积内装填面积大，可自支撑等特点，其在膜蒸馏过程中用量最大。
　　本文采用糊料挤出和拉伸烧结法制备了PTFE中空纤维膜，对PTFE中空纤维膜的微观结构、孔径、孔隙率、表面水接触角、力学性能和热性能等进行了研究;以100g/LNaCl溶液、200g/LNaCl溶液和海水反渗透(RO)浓水为进料液，考察了膜结构参数和膜蒸馏操作条件对产水通量和脱盐率的影响;比较了三种膜蒸馏形式（真空膜蒸馏、直接接触式膜蒸馏和气扫式膜蒸馏）的产水通量和脱盐率;最后考察了PTFE中空纤维膜在连续72h膜蒸馏运行过程中的稳定性，研究了膜污染和膜清洗过程的效果。
　　研究表明:
　　(1)采用糊料挤出-拉伸-烧结法制备了四种PTFE中空纤维膜，通过改变挤出过程的挤出头料腔内径和挤出头内径可改变中空纤维膜的壁厚和外径，通过改变拉伸阶段的拉伸比可改变中空纤维膜的孔径和孔隙率。电镜照片显示四种PTFE中空纤维膜均具有由原纤和结点形成的多孔结构，表面水接触角均在125°以上，具有良好的疏水性。当PTFE中空纤维膜壁厚增加，中空纤维膜的断裂强度增大。热重分析(TGA)和差示扫描量热(DSC)分析表明PTFE中空纤维膜在350℃熔融，在550℃分解，说明PTFE中空纤维膜具有良好的热稳定性，满足膜蒸馏的操作温度要求。
　　(2)将PTFE中空纤维膜制成膜组件，以100g/LNaCl溶液、200g/LNaCl溶液和海水RO浓水为进料液，考察了膜结构参数对真空膜蒸馏(VMD)产水通量和脱盐率的影响。结果表明，PTFE中空纤维膜壁厚增加，VMD产水通量随之减小;PTFE中空纤维膜孔径和孔隙率增大，产水通量随之增加。脱盐率基本保持不变，均在99.9％以上。
　　(3)随着进料液盐浓度的增加，产水通量下降;随着曝气量的增大，产水通量先增大后减小，最佳曝气量为4m3/m2·h;料液温度和冷侧真空度的升高均会提高产水通量。各种操作条件对VMD脱盐率影响较小，脱盐率均在99.9％以上。
　　(4)比较了气扫式膜蒸馏(SGMD)、真空膜蒸馏(VMD)和直接接触式膜蒸馏(DCMD)的脱盐率和产水通量。产水通量为VMD＞DCMD＞SGMD，且VMD的产水通量远大于后两者。随料液温度和料液流速的增加，三种膜蒸馏过程产水通量均增大;VMD过程的产水通量随真空度的增加而增大，SGMD过程的产水通量随冷侧气体流速的增加而增加，DCMD过程的冷凝水的流速对产水通量基本无影响。三种膜蒸馏过程的脱盐率均不受操作条件的影响，脱盐率在99.9％以上。
　　(5)采用VMD过程，以100g/LNaCl溶液和海水RO浓水为进料液，对PTFE中空纤维膜进行72h稳定性实验。在运行过程中，随着运行时间的增加，产水通量逐渐降低。连续运行72h后，产水通量分别从7.9kg/h·m2(100g/LNaCl)和6.4kg/h·m2（海水RO浓水）下降至4.01kg/h·m2和2.37kg/h·m2，脱盐率基本保持在99.9％以上。中空纤维膜经长期运行后产水通量下降的原因是膜表面沉积了NaCl和CaCO3。采用0.5mol/L盐酸清洗后，膜表面污染得以改善，产水通量提升至7.5kg/h·m2和5.7kg/h·m2，恢复至初始通量的94.9％和89.1％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 膜蒸馏技术

1．1．1 膜蒸馏的概念和原理

1．1．2 膜蒸馏的优缺点

1．1．3 膜蒸馏的分类

1．1．4 膜蒸馏的历史与发展

1．1．5 膜蒸馏的应用

1．2 膜蒸馏用材料

1．2．1 PTFE疏水性微孔膜

1．2．3 影响膜性能的结构因素

1．3 本课题的研究内容

第二章 PTFE中空纤维膜的结构与性能研究

2．1 实验部分

2．1．1 实验材料

2．2．2 PTFE中空纤维膜制备

2．1．3 测试表征

2．2 结果与讨论

2．2．1 PTFE中空纤维膜微观形貌分析

2．2．2 PTFE中空纤维膜的孔径分布

2．2．3 PTFE中空纤维膜的疏水性能分析

2．2．4 PTFE中空纤维膜力学性能分析

2．2．5 PTFE中空纤维膜的热性能分析

2．3 小结

第三章 膜结构参数和膜蒸馏操作条件对产水通量和脱盐率的影响

3．1 实验部分

3．1．1 实验材料和仪器

3．1．2 实验装置与运行

3．1．3 数据处理

3．2 结果与讨论

3．2．1 PTFE中空纤维膜的结构参数对VMD性能影响

3．2．2 VMD操作条件对VMD性能的影响

3．3 小结

第四章 膜蒸馏操作方式与产水效果的关系研究

4．1 实验部分

4．1．1 实验仪器与材料

4．1．2 实验装置与运行

4．2 实验结果与讨论

4．2．1 料液温度对不同膜蒸馏过程性能的影响

4．2．2 料液流速对不同膜蒸馏过程性能的影响

4．2．3 真空度及冷侧条件对不同膜蒸馏方式过程性能的影响

4．3 结论

第五章 膜污染与膜清洗研究

5．1 实验试剂

5．2 膜的清洗

5．3 结果与讨论

5．4 小结

第六章 结论

参考文献

研究生期间的成果

致谢