太阳能驱动膜蒸馏用膜的结构设计及性能研究

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淡水资源短缺问题亟待解决,膜蒸馏作为一种新型高效的膜分离技术,以分离膜两侧料液温差产生的蒸汽压差作为驱动力,具有操作条件温和、操作简单、可以利用多种低品质热源等特点,在海水淡化和废水处理等领域迅速发展。理想的膜蒸馏用膜应当为疏水微孔膜,具有足够的透气性以及稳定性,可以保证膜蒸馏的长期运行。传统的疏水微孔滤膜不足以满足膜蒸馏的要求,而静电纺丝技术制备的纳米纤维膜具有相互贯通的多孔结构、高比表面积、高孔隙率以及可调膜厚等特点,为可挥发组分提供大量通道,改善了传统膜蒸馏用膜存在闭孔结构的缺点,提高了通量。另外,充分利用低品质热源(如太阳能)改善传统膜蒸馏对进料液的集中加热导致能量利用效率低的问题,并且,对膜表面进料液的直接加热也消除了温度极化的影响。本论文结合光热转换材料与静电纺丝技术制备了具有光热转换效应的纳米纤维复合膜,以太阳能驱动膜蒸馏代替传统的膜蒸馏,充分利用了可再生能源,为海水淡化提供了新思路。本论文以聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维多孔膜为基膜,分别以银纳米颗粒和聚吡咯纳米管(PPy NTs)作为光热转换材料,设计制备了两种不同类型的具有光热转换效应的膜蒸馏用膜(亲/疏水双层纳米纤维膜,超疏水纳米纤维复合膜),具体研究内容如下:(1)为了提高膜表面被加热料液的体积,选择亲水的静电纺聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜作为硝酸银(Ag NO3)的载体,在硼氢化钠(Na BH4)还原下得到负载银纳米颗粒的纳米纤维,再通过连续静电纺丝技术制备了亲/疏水双层纳米纤维膜,与此同时,为了提高基膜的疏水性,采用一步浸泡法在PVDF纳米纤维表面形成具有低表面能的聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂层。通过调控PDMS浓度来保证在不堵塞PVDF纳米纤维膜膜孔的前提下,最大程度上提高基膜的抗润湿性,另外,探究Ag NO3的最大添加量,以提高复合膜的光热转换性能。优化后的复合膜在模拟1 kw/m~2的太阳光照射下,表面温度可以达到95.3℃,同时表现出优异的太阳能驱动膜蒸馏(SD-DCMD)性能。在以20℃、3.5 wt%的Na Cl为进料液、20℃的去离子水为冷凝液,持续10 h的SD-DCMD脱盐性能测试下,表现出最高水通量为1.2 kg/m~2·h以及稳定的冷凝侧电导率,光热转换效率达到78%。(2)为了解决纳米纤维膜大孔易润湿的问题,我们采用模板法制备了纳米管状的聚吡咯,根据纤维直径与孔径之间成正比的关系,相邻纳米纤维之间的大孔径可以被具有较细直径的PPy NTs所形成小孔径替代。通过真空辅助抽滤的方法将PPy NTs负载到PVDF纳米纤维膜上,与此同时,选用低表面能的PDMS来原位粘结PPy层与PVDF基膜,从而得到完整且稳定的具有超疏水性、高孔隙率以及可调孔径的双层复合膜。优化PPy NTs的负载量与PDMS的浓度,最大程度上提高复合膜的结构稳定性和SD-DCMD性能,优化后的复合膜水接触角达到156±1.9°,在模拟1 kw/m~2的太阳光照射下,其表面温度达到96℃,在以20℃、3.5 wt%的Na Cl为进料液,20℃的去离子水为冷凝液,持续10 h的SD-DCMD脱盐性能测试下,表现出最高水通量为1.3 kg/m~2·h以及稳定的冷凝侧电导率,光热转换效率达到81.6%。
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