电致热PVDF中空纤维膜及其膜蒸馏过程

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膜蒸馏技术因其截留率高、能利用低值废热等优点正成为极具前景的海水淡化技术之一。然而,传统膜蒸馏过程中,由于进料液/膜界面处水汽化带走部分潜热,使得膜表面温度低于进料液主体温度,发生温度极化现象,使得传质驱动力减弱,导致膜蒸馏效率降低。针对温度极化现象,本文通过二维编织技术将具有焦耳热效应的焦耳元件引入中空编织管,并通过干-湿法纺丝技术,以疏水性聚偏氟乙烯(PVDF)为制膜材料,制得具有电致热效应的PVDF中空纤维膜。首先,采用二维编织技术将焦耳元件镍铬合金电阻丝(Nichrome resistance wire,NRW)和聚全氟乙丙烯(FEP)纤维长丝制成FEP/NRW中空编织管,后以PVDF为成膜聚合物,通过干-湿法纺丝技术制得电致热PVDF/NRW中空纤维膜。表征了膜的电致热性能,并将其用于减压膜蒸馏(VMD)过程。结果表明,当在膜表面施加电压为21 V,电流为0.15 A时,膜表面温度由室温提高至70?C以上。其次,在不同施加电流、不同进料液温度下进行VMD测试。结果表明,进料液温度为70?C时,与未施加电流膜蒸馏过程相比,电流为0.15 A时膜蒸馏通量提高近2.5倍,脱盐率保持在99%以上,且此时的单位能耗值(Specific energy consumption,SEC)为11.86 k W·h·L-1,降低了近一半。此外,通电后膜蒸馏过程中的温度极化因子(Temperature polarization factor,TPF)均高于100%,表明电致热中空纤维膜有效地抑制了温度极化现象。基于以上研究,利用碳纤维(Carbon fiber,CF)的焦耳热效应,制备电致热PVDF/CF中空纤维膜。在PVDF成膜体系中引入非溶剂邻苯二甲酸二辛酯(DOP),研究了DOP添加量对PVDF膜孔结构的影响,当DOP含量从0增加到9 wt%,膜孔隙率由33%增至50%。将所得PVDF/CF中空纤维膜用于VMD过程。结果表明,当膜表面施加电压15.1 V,电流0.20 A时,膜表面温度提高近42?C。与未施加电流相比,膜蒸馏通量增加近2倍,同时脱盐率保持在99%以上。最后,在VMD稳定性测试中,当DOP含量不大于6 wt%时,电致热PVDF/CF中空纤维膜在施加电流为0.15 A下膜蒸馏运行时间36 h内,通量和脱盐率性能保持稳定,表现出良好的稳定性。
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