聚偏氟乙烯/醋酸纤维素复合正渗透膜的制备与表征

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正渗透技术(FO)是一种渗透驱动膜过程,在正渗透过程中,水分子在膜两侧渗透压差的作用下,从低浓度的溶液透过半透膜扩散到高浓度溶液中,正渗透过程无需外加压力,几乎可以截留水中所有的有害污染物,具有低能耗、低污染、高回收等特点。目前,正渗透在海水淡化,废水处理,能源发电,食品加工,药物浓缩等领域有着广泛的应用前景。   然而,在正渗透过程中同时存在内浓差极化(ICP)和外浓差极化(ECP),尤其是内浓差极化,使其实际水通量远远小于理论通量。内浓差极化是正渗透特有的现象,发生在膜多孔支撑层内,可以通过优化膜支撑层和活性层的结构以及物理化学性质得以缓解或消除。支撑层孔隙率越高,孔连通性越高,亲水性越好,内浓差极化越小。因此,本论文立足于一种新型正渗透膜的制备,以双连续有序孔结构亲水性聚偏氟乙烯(PVDF)微孔膜为支撑层,亲水性醋酸纤维素(CA)为活性层,制备CA/PVDF复合正渗透膜,并考察该膜的浓差极化现象。   本论文首先采用原位聚合法制备了亲水性PVDF支撑层,该支撑层具有双连续有序孔结构,高孔隙率(大于80%),优异的润湿性,有利于减少内浓差极化。然后,以不同分子量CA作为膜材料,通过相转化法制备亲水性活性层,当CA分子量为56908Da时,CA铸膜液的粘度较高,所得的CA活性层具有好的盐截留性和力学性能。最后,分别以PVDF和CA膜作为支撑层和活性层,通过相转化法制备CA/PVDF复合正渗透膜。   通过考察支撑层亲水性和孔径大小对复合正渗透膜的影响发现:(1)亲水性支撑层有利于减小内浓差极化;(2)复合正渗透膜的性能主要取决于CA活性层。另外,通过研究添加剂对复合正渗透膜结构与性能的影响得到:当多孔支撑层朝向原液时,水通量高;当汲取液浓度较高时(2~5M),由于存在外浓差极化,水通量增长受到限制;而当多孔支撑层朝向汲取液,由于存在严重的稀释内浓差极化,水通量很低,且保持相对稳定;以甲醇和乳酸为添加剂,CA活性层具有贯通的大孔,水通量可达52L/m2h,水通量/盐反混通量的比值大于20L/g。   通过考察温度和流速对复合正渗透膜性能的影响,发现随着温度的升高,水通量和盐反混通量同时提高,在25℃,水通量/盐反混通量的比值为24L/g,膜选择性最好;提高流速有利于提高水通量。最后,以海水为原液,尽管存在浓缩内浓差极化以及膜污染,水通量为10L/m2h。
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