论文部分内容阅读
膜分离过程具备简单、高效等特点,广泛用于空气、水净化领域。膜蒸馏作为膜分离过程的重要组成,为海水淡化、液体浓缩处理提供新思路。膜蒸馏过程的核心是疏水膜。在众多膜材料中,陶瓷膜耐温性优异,机械强度高。然而,陶瓷膜固有的亲水性导致其无法用于膜蒸馏过程,对其疏水改性至关重要。本文选用多孔氧化铝平板陶瓷膜为基膜,以不同的方法对其进行超疏水改性,将其应用于膜蒸馏的分离性能研究中。通过傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)等表征技术研究了超疏水改性陶瓷膜的表面形貌和化学结构。主要研究内容及实验结论如下:(1)为提高陶瓷膜的疏水性,采用非溶剂致相分离(NIPS)法在亲水性陶瓷膜表面制备了超疏水性PS微孔膜。实验结果表明:陶瓷膜在经过超疏水改性之后,O、Si和Al的吸收峰均变弱,C的含量大幅度增加;改性后陶瓷膜的表面聚集了大量PS团聚颗粒,表面粗糙度增加,形成微纳米粗糙结构;随着PS/EtOH比例的减小,改性膜的水接触角和平均孔径先上升后下降;随着浸渍时间的增加,改性膜的水接触角先上升后下降,平均孔径逐渐下降。改性后的陶瓷膜接触角最高可达到152°。对改性陶瓷膜的膜蒸馏分离测试结果表明:所制得改性陶瓷膜能长时间保持超疏水性,渗透通量保持在1.57kg·m-2·h-1左右,脱盐率高于99.5%。随着NaCl溶液温度的升高,改性膜的渗透通量和脱盐率逐渐增加;随着NaCl溶液浓度的升高,改性膜的渗透通量逐渐减小。改性膜的表面稳定性能测试表明:改性膜表现出良好的耐弱酸弱碱的能力。(2)本研究通过溶胶凝胶法制备单分散的纳米二氧化硅(SiO2)溶胶,并用低表面能的有机硅溶剂ODTMS对SiO2粒子进行疏水化处理,再在陶瓷膜表面进行沉积,对陶瓷膜进行了超疏水改性。研究结果表明:陶瓷膜经过超疏水改性后,Al的吸收峰变弱,C和Si元素的含量增加;SiO2颗粒在陶瓷膜表面团聚,出现了微纳米粗糙结构,表面粗糙度显著增加;随着ODTMS质量分数的增大,改性膜的平均孔径逐渐减小,水接触角先增大后减小;随着温度的升高,改性膜的平均孔径逐渐减小,水接触角先增大后减小;随着沉积时间的增加,改性膜的平均孔径逐渐减小,水接触角先增大后减小。改性陶瓷膜的接触角明显增加,由72°上升到158°。耐酸碱性能和耐化学溶剂稳定性能测试结果表明:改性膜耐弱酸弱碱,在常见的化学溶剂水、Na2CO3水溶液和NaCl水溶液中均能保持良好的稳定性。在膜蒸馏过程中,超疏水改性陶瓷膜能长时间保持超疏水性,当真空度为-0.10MPa时,改性膜的渗透通量保持在15.60kg·m-2·h-1左右,脱盐率达到99.99%。随着真空度的增大,改性膜的渗透通量提高,脱盐率基本无变化。