论文部分内容阅读
目前阻碍膜蒸馏技术应用的最大问题是膜通量低、易发生亲水性泄漏。静电纺丝纳米纤维膜孔隙率高、易于调控膜结构,在膜蒸馏应用上具有巨大的潜力。本研究以聚偏氟乙烯(PVDF)为基本制膜材料,以静电纺丝法为基本制膜方法。首先探索和优化了静电纺丝法制备PVDF纳米纤维膜的制备条件,进一步受到荷叶超“疏水效应”的启发,开发了两种新的制备超疏水膜的方法：PVDF/silica混合静电纺丝法和静电喷雾／纺丝同步制膜法,分别制备出了超疏水PVDF/silica复合纳米纤维膜和三维多孔超疏水膜,探索了主要制膜条件对膜性能的影响。主要研究结果如下：(1)考察了不同聚合物浓度、溶剂组成、纺丝电压、接收距离和滚筒转速对PVDF膜形貌结构的影响。研究表明,增加PVDF浓度,可以减少“珠串”和“纺锤,,结构,增大纤维直径；在溶剂二甲基甲酰胺(DMAc)中加入丙酮,可以使“珠串”结构消失,纤维直径分布均匀。升高纺丝电压,纤维的直径先减少后增大。当接收距离低于5 cm,纤维出现严重溶并,增大接收距离,可使纤维直径变细。当滚筒转速低于500 rpm时,纤维膜结构蓬松；而当转速增大到2200 rpm时,纤维取向性增大,网状结构弱化。对所制备的纯PVDF膜进行膜蒸馏测试,结果表明：膜通量随跨膜温差和流速的提高而增大,随厚度增大而下降,随测试时间增长而衰减。(2)以PVDF和纳米二氧化硅(silica)为纺丝材料,通过混合静电纺丝法一步制备出了超疏水PVDF/silica复合纳米纤维膜。研究发现,纳米二氧化硅的添加可以提高纤维平均直径和膜的疏水性,当添加量大于PVDF的40%时,复合膜具有超疏水性,原因是纳米二氧化硅在纤维的表面形成了次级凸出结构,有利于在膜和液体间形成“气囊”,提高了疏水性。当纳米二氧化硅添加量低于PVDF质量的40%时,纤维的抗拉强度达到3.18 MPa,远高于纯PVDF膜(1.5 MPa)。和纯PVDF纳米纤维膜相比,复合膜的通量、出水水质和运行稳定性都有所提高。综合考虑纳米二氧化硅对复合膜性能的影响,取其添加量为PVDF质量的40%时为最优剂量。(3)将纳米二氧化硅分散在DMAc中作为喷雾液,以PVDF/DMAc作为纺丝液,采用静电喷雾／纺丝同步法制备出了三维多孔超疏水膜。在纳米二氧化硅浓度为10 wto%且对喷雾液超声分散3h的条件下,所制备的膜接触角可达162°,滚动角小至3.6°。膜蒸馏测试发现,三维多孔超疏水膜比表面超疏水膜的具有更高的抗润湿性,归因于其表面和内层都具有三维超疏水结构,在表面被润湿以后,膜内层又可以形成新的气-液-固疏水界面,从而有效的阻止液体向内层润湿。三维多孔超疏水膜通量高达32 L h-m-2,出水水质低于4μS cm-1,且在150小时的测试内运行稳定,同时该膜的油水分离效率高达95.5%,说明该膜在膜蒸馏和油水分离上均很大的应用潜力。