含氟高分子微孔膜的膜蒸馏性能和应用研究

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膜蒸馏作为一种新兴的基于蒸汽压差驱动的水处理技术,具有超高的截留率、温和的操作条件、高效节能和适用于高浓度溶液的浓缩等特点,一般来说,实验室研究的自制膜材料为了获得膜的本征渗透性能不使用支撑材料,但是商业考虑到连续化制造及膜的强度等问题,通常将膜制备在支撑材料如无纺布上面。本文选用了四种不同型号的支撑材料包括两种无纺布和两种纱网,并使用复合相分离法(NTIPS,非溶剂致相分离结合热致相分离法)制备了增强膜机械性能的新型复合膜,并针对现有文献研究中支撑结构的不足,创新性地引入一种新型的嵌入型支撑结构。铸膜液使用聚偏二氟乙烯-己内酰胺(PVDF-CPL)的聚合物/溶剂体系制作而成。通过扫描电子显微镜观察了膜的表面和截面结构,发现根据支撑材料的不同形成不同结构的复合膜,无纺布支撑的膜为典型的有界面的双层膜结构(由PVDF上表层和无纺布支撑层组成),而由尼龙纱网支撑的膜则形成嵌入网格型的单层膜结构。所有的膜PVDF涂层同时存在复合相分离法制备的膜特有的膜孔结构,其上表面为超薄较致密的结构,靠近上表面的截面为指状孔结构,而亚层截面则为双连续网络状孔结构。同时研究了四种支撑材料的特性参数和制备的膜的参数如疏水性、孔隙率和液体进入压力(LEPw)等,最后结合膜渗透通量进行对比并筛选出性能较好的无纺布支撑膜和纱网支撑膜。系统研究了带有支撑层的各种增强型复合膜在不同条件的直接接触式膜蒸馏(DCMD)渗透性能。使用120目纱网支撑的增强型PVDF膜(PA-120)研究了谷氨酸钠(MSG)的浓缩过程,分析了120目纱网支撑的增强型PVDF膜浓缩过程中的浓缩倍数和时间对膜通量的影响以及膜污染行为。结果表明:(1)120目纱网支撑的增强型PVDF膜具有优秀的渗透性能(在料液温度为70℃时,通量可以达到68.2kg/m~2·h)和对盐的截留性能(99.99%),可以达到同等厚度的无支撑膜的两倍通量;(2)在谷氨酸钠的浓缩应用中,120目纱网支撑的增强型PVDF膜也表现出了较高通量,即使在较高的浓度下都可以保证99.99%以上的截留率,,充分展示了新型复合膜在高浓度溶液浓缩方面极其巨大的应用潜力。在有支撑的增强型PVDF膜的真空膜蒸馏(VMD)工艺上也展开了研究,以模拟海水为对象,考察了料液温度和渗透侧真空度对膜渗透和截留性能的影响,对膜的盐水分离性能进行了评价。进一步探索了有支撑的增强型PVDF复合膜用于工业酸性废水的真空膜蒸馏工艺浓缩可行性问题,对产水水质进行了分析。结果表明:(1)120目尼龙纱网支撑的增强型PVDF膜在70℃下的膜通量可以达到115 kg/m~2·h,截留率都可以达到99.99%,展现了优异的VMD性能;(2)在处理酸性废水时,由于膜的污染导致通量下降到66 kg/m~2·h,同时发生了膜的泄漏,总的来说,增强型PVDF膜不适合用于该酸性废水的处理。
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