【摘 要】
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膜蒸馏（Membrane distillation,MD）是基于膜的热蒸发工艺的一种海水淡化技术,进料侧表面上蒸发产生的水蒸汽通过膜孔扩散到膜的另一侧,被冷侧循环水冷凝而实现脱盐。由于其高脱盐率、低成本和模块化设计等优点,具有广阔的应用前景。然而对于传统的膜蒸馏系统,其固有的温度极化现象（进料侧的膜表面的温度低于上部进料液体的温度）,阻碍了其大规模的工业化应用。近年来,人们在传统MD技术中引入太阳
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膜蒸馏（Membrane distillation,MD）是基于膜的热蒸发工艺的一种海水淡化技术,进料侧表面上蒸发产生的水蒸汽通过膜孔扩散到膜的另一侧,被冷侧循环水冷凝而实现脱盐。由于其高脱盐率、低成本和模块化设计等优点,具有广阔的应用前景。然而对于传统的膜蒸馏系统,其固有的温度极化现象（进料侧的膜表面的温度低于上部进料液体的温度）,阻碍了其大规模的工业化应用。近年来,人们在传统MD技术中引入太阳能作为热源加热进料溶液开发出一种新型脱盐技术-太阳能驱动膜蒸馏（Solar-driven membrane distillation,SDMD）。该技术使用光热膜进行原位加热不仅可以有效的消除温度极化,还可以降低海水淡化的总能耗,因此是一种极具前景的海水淡化技术。但是,SDMD目前还面临着一些关键瓶颈问题:（1）光与热的转换效率低;（2）光热材料成本高且制备过程复杂;（3）膜的长时间服役污染问题严重。针对这些挑战,本论文以聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）膜为基体,通过抽滤和悬浮沉积的方法对膜进行表面改性获得了PVDF-HFP基的光热膜,系统的考察了光热膜的结构及其在SDMD系统中的海水淡化性能。具体研究内容如下:（1）通过将Fe3O4纳米颗粒负载在PVDF-HFP纳米纤维膜的表面,制备了用于太阳能驱动膜蒸馏的光热复合膜。Fe3O4/PVDF-HFP光热膜在太阳光的照射下可以实现原位局部加热,提高了膜表面的温度,消除了温度极化效应。由于Fe3O4纳米材料具有很高的全光谱吸光率和出色的光热转换能力,再加上PVDF-HFP膜的高孔隙率,该光热膜在光照功率密度为1 k W m-2的条件下,渗透通量高达0.97 kg m-2 h-1,相对于纯PVDF-HFP膜(0.26 kg m-2 h-1)提高了273%,并且脱盐率达到99.99%,光热转换效率为53%。此外,这种复合膜在中试规模的系统中稳定工作,渗透通量高达21.99 kg m-2 h-1,比PVDF-HFP系统提高了11%。（2）以多巴胺作为碳源制备了高度石墨化的碳球（GCS）作为光热材料。将所制备的GCS分散在Nafion的乙醇溶液中,抽滤到PVDF-HFP膜的表面上以获得超疏水表面,然后通过自聚合对膜的另一侧进行亲水改性,从而获得了基于多巴胺的两面亲-疏水性截然不同的Janus结构膜。Janus膜的疏水侧可以防止膜被润湿和污染,提高膜的长期服役性能;而Janus膜的亲水性设计消除了膜和渗透测溶液之间的气隙,缩短了水蒸气的传输距离,加速了水的冷凝过程,结合GCS优异的光热转换能力,有效的消除了温度极化,提高了膜蒸馏的性能。该膜在SDMD系统中表现出高的渗透通量(1.29 kg m-2h-1),该性能比PVDF-HFP膜的提高了396%,脱盐率高达99.99%,光热转换效率达到60%。
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