蒸汽诱导法制备PVDF疏水膜及其在膜蒸馏中的应用研究

摘要

固体表面的润湿性主要由材料的化学性质和表面粗糙度决定。本文采用蒸汽诱导相转化法改善膜表面的粗糙度,进而提高膜表面的疏水性;通过膜蒸馏过程对蒸汽诱导法制备的PVDF疏水膜进行结果测定。
　　 首先,实验讨论了铸膜液组成、凝胶条件的改变对膜面接触角的影响。发现添加剂和非溶剂的加入,使得最大接触角出现的时间缩短,但并未使接触角得到提高。铸膜液在不同湿度的空气中成膜时有如下规律:当初生态膜在不同湿度下放置相同时间时,湿度越大接触角越高;相同湿度时,在空气中停留时间越长接触角越高。膜结构也随在空气中停留时间的不同而发生变化,扫描电镜照片显示,随着在蒸汽中放置时间的延长,膜的上表面由比较平滑的无孔或少孔结构变为较为粗糙的多孔结构,当膜在蒸汽中放置时间大于2min时,膜表面形成了分散的微米级的球状颗粒,该球状颗粒上还有纳米级的结构。其接触角也高达145。左右。
　　 其次,为了理解蒸汽中成膜过程,实验还讨论了在不同湿度下成膜时膜质量随时间的变化情况,并通过测定铸膜液粘度,绘制浊点相图来研究聚偏氟乙烯(PVDF)在蒸汽中的成膜过程,初步探讨了蒸汽中的成膜机理。实验发现当在蒸汽中成膜时,膜质量的变化是先增加,后减少最后达到一个稳定值,且当湿度较高时膜质量增加的比湿度低时多。在膜质量增长阶段,当湿度较高时吸水速率较快,膜质量增加更多;而在溶剂挥发阶段,湿度高时溶剂和水的挥发速率低,导致膜质量达到稳定所需时间延长。当铸膜液中含有TEOS时,在质量上升阶段,随着铸膜液中TEOS含量的升高,吸水速率逐渐降低;在膜质量下降阶段初期,随着TEOS含量的上升溶剂和水的挥发速率加快,但是在TEOS含量达16％时,膜质量下降的中期没有表现出很好的规律性。此外,随着铸膜液中TEOS添加量的增加,铸膜液的粘度逐渐降低;三元相图显示当铸膜液中含有TEOS时,使用较少的凝胶剂就能使铸膜液达到分相点,两者的综合作用使得PVDF膜的凝胶速率加快。
　　 膜蒸馏结果表明,随着膜疏水性的增强,进料温度的提高,膜蒸馏通量增加,最高可达7000g/m2·h。当铸膜液中含有2％的水时,相同条件下,膜蒸馏通量比不加水的PVDF高出近2500g/m2·h。但不论什么条件下截留率都在99％以上。
　　 综上所述,蒸汽中成膜有利于在膜表面形成微纳米级颗粒结构,进而可以提高膜表面的静态接触角,空气的湿度大小以及在蒸汽中的停留时间是影响膜表面疏水性的主要因素。将用该种方法制备的膜用于膜蒸馏过程取得了较好效果。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.1.1 膜蒸馏原理

1.1.2 膜蒸馏形式

1.2 疏水性基本原理

1.3 疏水膜的种类和制备技术

1.3.1 疏水膜的种类

1.3.2 疏水膜制备技术

1.4 蒸汽诱导相转化法成膜

1.4.1 蒸汽诱导相转化法的成膜过程和膜结构特点

1.4.2 蒸汽诱导法制备多孔疏水膜

1.5 研究基础

1.6 本课题的研究内容

1.6.1 研究思路

1.6.2 研究内容

第2章 实验部分

2.1 实验试剂及仪器

2.1.1 实验试剂

2.1.2 实验仪器

2.2 相图绘制

2.3 凝胶动力学观测及凝胶速率测定

2.4 PVDF平板疏水膜的制备

2.5 膜的表征

2.6 膜蒸馏实验

第3章 蒸汽中成膜机理及膜疏水性影响因素

3.1 引言

3.2 膜疏水性影响因素

3.2.1 膜液组成的影响

3.2.2 凝胶条件的改变

3.3 膜结构分析

3.3.1 不同湿度时在空气中直接成膜

3.3.2 相同湿度时在空气中停留不同时间

3.3.3 膜强度的变化

3.4 成膜过程探讨

3.4.1 表面液层红外分析

3.4.2 蒸汽中成膜过程动态观察

3.4.3 膜质量随时间的变化

3.4.4 铸膜液粘度和相图

3.5 结论

第4章 PVDF平板膜膜蒸馏性能研究

4.1 引言

4.2 膜的疏水性对膜蒸馏性能的影响

4.3 进料液温度对膜蒸馏性能的影响

4.4 流动状态对膜蒸馏性能的影响

4.5 结论

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢