【摘 要】
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淡水资源短缺,海水资源丰富,因此以海水淡化的形式获得淡水,可有效缓解淡水资源的短缺。膜蒸馏被广泛应用于海水淡化领域,其利用疏水微孔膜,以膜两侧的蒸气压差作为传质驱动力。静电纺纳米纤维膜因其具有相互贯通的多孔结构、高比表面积、高孔隙率以及可调的膜厚等优点,改善了传统膜蒸馏用膜存在闭孔结构的缺点。相较于传统的蒸馏方法,膜蒸馏运行压力及温度更低,而分离效率更高,并且,该方法可以与太阳能、地热、废热等低品
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淡水资源短缺,海水资源丰富,因此以海水淡化的形式获得淡水,可有效缓解淡水资源的短缺。膜蒸馏被广泛应用于海水淡化领域,其利用疏水微孔膜,以膜两侧的蒸气压差作为传质驱动力。静电纺纳米纤维膜因其具有相互贯通的多孔结构、高比表面积、高孔隙率以及可调的膜厚等优点,改善了传统膜蒸馏用膜存在闭孔结构的缺点。相较于传统的蒸馏方法,膜蒸馏运行压力及温度更低,而分离效率更高,并且,该方法可以与太阳能、地热、废热等低品质热源结合,以更低的成本,更高效的获取淡水。然而,目前膜蒸馏过程中大多采用对进料液集中加热的方式,温度极化现象普遍存在,会导致传质驱动力的大幅降低,进而严重影响膜蒸馏过程的蒸发通量并且增加能量的损耗。将传统的膜蒸馏用膜与光热转换粒子相结合,制备出具有良好光热转换效率的复合膜,充分利用太阳能,可以有效降低温度极化效应的影响,增大传质动力,提高蒸发通量。本论文用静电纺聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维膜为基底,通过真空抽滤的方法在其表面负载功能粒子,制备出了PVDF基光热复合膜。并综合考察了所获得的复合膜的结构特点及太阳能驱动膜蒸馏(SDMD)性能等。具体研究内容如下:(1)为了解决传统膜蒸馏过程中存在的温度极化及能量利用率低等问题,以静电纺PVDF纳米纤维膜作为基膜,通过真空抽滤的方法将碳纳米管(CNTs)均匀负载在PVDF基膜上。为了使CNTs与PVDF基膜牢固结合,在抽滤过程中加入“粘合剂”聚二甲基硅氧烷(PDMS),以获得稳定的双层CNTs-PDMS/PVDF纳米纤维复合膜。经表征测试可知,该复合膜具有较高的表面温度,在1 kw/m~2模拟太阳光照下,复合膜表面温度迅速升高至107℃左右,这使得进料液循环至膜表面时被迅速加热,可有效降低温度极化带来的影响。在模拟海水的膜蒸馏脱盐测试中,进料液与冷凝液温度均保持20℃,在膜表面施加1 kw/m~2模拟太阳光照时,复合膜蒸发通量达1.06 kg/m~2h。(2)为了缩短蒸气的传输路径,我们制备了表面亲水,基层疏水的“Janus”膜。同样以静电纺PVDF纳米纤维膜作为基膜,通过浸泡PDMS的方法对其进行疏水改性,获得超疏水PDMS@PVDF基底。然后通过真空抽滤在基底上均匀负载亲水性光热转换粒子聚苯胺(PANI),并引入聚乙烯醇(PVA),通过其与戊二醛(GA)发生交联反应,以获得稳定的亲水-疏水型PVA-PANI/PDMS@PVDF纳米纤维复合膜。对其进行测试,由于PANI具有良好的光热转换效应,在1 kw/m~2模拟太阳光照下,该复合膜表面温度最高可达到104℃左右,并且随负载量的增加而略有增高。在SDMD测试过程中,进料液可直接进入亲水性功能层,这大大缩短了水蒸气的传输路径。同样条件下,进料液与冷凝液均保持20℃,在膜表面施加1 kw/m~2模拟太阳光照时,复合膜蒸发通量高达1.22 kg/m~2h。
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