聚偏氟乙烯中空纤维膜疏水改性及应用于膜吸收

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聚偏氟乙烯(PVDF)膜材料化学稳定性良好,抗氧化、耐高温,长期置于室外不变脆,不龟裂,这些突出优点,使PVDF成为理想膜分离材料,可适用于超滤、纳滤等领域。而PVDF最突出的特点——较强的疏水性,使它成为膜蒸馏和膜吸收等膜接触器理想的膜材料。但在PVDF的制备过程中,常添加亲水性聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等添加剂,形成海绵状结构,同时造成膜的疏水性能下降。本文对商品化的整体非对称PVDF中空纤维膜进行疏水增强并将其应用于膜吸收,去除温室气体二氧化碳。系统地探讨膜吸收操作条件、聚二甲基硅氧烷硅氧烷(PDMS)涂覆PVDF制备PVDF/PDMS复合膜的条件及混合吸收剂的性能。  本文首先制备了PVDF/PDMS复合膜。复合膜的疏水性能远远优于原PVDF膜,在最优配方下,采用涂覆配方PDMS∶正硅酸四乙酯(TEOX)∶(二)丁基(二)月桂酸锡(DBTL)∶正己烷为6∶3∶1∶90,PDMS浓度为8%,总浓度为10%,涂覆时间和温度分别为5-10 min和室温,涂覆效果最好。PVDF膜的接触角增值最大,约为35°,达到115°,即此时的PVDF/PDMS复合膜的疏水性最强。  在基膜制备后进行NaClO处理,再涂覆PDMS,能提高涂覆效果,使得膜的疏水性进一步提高。具体为,原膜为75-80°,涂覆PDMS为115°;在NaClO浓度5 g/L,温度60-70℃,处理10-30min,再涂覆PDMS,制备PVDF/PDMS复合膜,此时接触角为120-130°。并且采用NaClO处理,PVDF膜的结构未受到明显破坏,不影响其强度和机械性能。但如果处理的浓度过高,碱性太强,对膜有一定破坏,实验过程中发现浓度在5-20 g/L是比较合适。  其次将商品化的PVDF中空纤维膜应用于膜吸收实验。用乙醇润湿PVDF膜丝,再经过NaClO处理后,膜的疏水性增强,吸收CO2效果变好;另外,膜有效长度越长,吸收率越高。在气体流速为23 mL/min,MEA浓度为1 mol/L,长度为50cm达到100%的吸收率和较高的吸收速率,约5.2×104 mol/m2·h,相当于原膜丝120 cm能达到的吸收率,但原膜的吸收速率低,只有1.2×104 mol/m2·h。  实验中,还对操作参数进行考察,得到结论如下:  (1) MEA吸收率高并且回收方便,对膜丝损坏小;吸收剂MEA浓度越高,吸收率越高,吸收速率越快;  (2)低温有利吸收,但是幅度不大;  (3)气速越大,CO2的去除率下降并且吸收速率也会影响;  本论文也进行了稳定性实验。相同条件下,处理后的膜,在0-28 h都能保持100%的吸收效果,28-43 h,吸收率维持在90%;而原膜吸收率一般低于90%。  最后,本文初步探讨了单吸收剂和不同比例的AMP与MEA混合溶剂的吸收效果。  (1)采用单组份的吸收剂,吸收效果:MEA=NaOH>DEA>TEA>纯水,但是NaOH作为吸收剂对膜结构破坏大,且不易于回收,因此在实验情况下,采用MEA是较合适的选择;  (2)混合吸收剂:  混合吸收剂的解吸恢复比例都在80%左右,高于单一的AMP溶液;当MEA∶AMP=1,石灰水在63℃首先就变浑浊,说明解吸最容易。使用此种吸收液可以节省很多能源,降低解吸成本,但相对地,操作条件有限不宜高温使用。  浓度升高,混合比例为MEA∶ AMP=3∶1的吸收剂具有较好的吸收效果且传质速率。相较于纯溶液,混合溶液的吸收率和传质速率都较好。  气相流速增加,混合溶液对二氧化碳的吸收率都下降,但是总体上MEA∶AMP=3∶1的吸收剂吸收率和传质效率都优于比例为1∶1和1∶3的。  温度降低,吸收率增高,而MEA∶ AMP=1,受温度影响大,易于低温操作,在低温吸收率最好,这也与前面所做的解析温度结果一致。  综合考虑,相对于MEA∶ AMP=1∶1和MEA∶ AMP=1∶3,MEA∶ AMP=3∶1的吸收剂较优,兼备操作温度范围广,价格最便宜,吸收率高,在高气速、高浓度下,有最好的吸收率和传质速率。
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