【摘要】：隨著社會的發(fā)展和人口的激增,淡水資源日趨減少,水污染日漸加劇,全球性淡水危機(jī)嚴(yán)重制約著人類社會的可持續(xù)發(fā)展。正滲透(FO)技術(shù)作為一種滲透壓驅(qū)動的膜分離技術(shù),具有操作條件溫和、膜污染趨勢輕等優(yōu)勢,在海水淡化和污水處理領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。薄層復(fù)合正滲透(TFC FO)膜是目前公認(rèn)的較為先進(jìn)的正滲透膜,它具有致密的聚酰胺(PA)截鹽層和高分子多孔支撐層。其中TFC膜的PA截鹽層對FO的水滲透和鹽截留起著決定作用,制備可高效透水并對鹽具有高效截留的PA層是提升TFC FO膜性能的關(guān)鍵。另外,TFC膜的高分子多孔支撐層也嚴(yán)重制約著FO膜的性能,通常易造成嚴(yán)重的內(nèi)濃差極化現(xiàn)象,導(dǎo)致正滲透膜實際水通量遠(yuǎn)低于理論值。為此,優(yōu)化TFC膜的PA層以及高分子多孔支撐層是提升FO膜性能的有效途徑。本課題從優(yōu)化復(fù)合正滲透膜的結(jié)構(gòu)和性能入手,分別對聚酰胺(PA)層和支撐層的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了優(yōu)化,建立了膜結(jié)構(gòu)-性能的構(gòu)效關(guān)系,測試評價了正滲透膜的水通量和鹽截留。所取得的主要研究結(jié)果如下:(1)以碳納米管為中間層的三層復(fù)合正滲透膜的制備及性能評價將碳納米管(CNT)涂覆到大孔高分子支撐層表面形成納米纖維多孔中間層,通過界面聚合反應(yīng)制備PA截鹽層,通過調(diào)控CNT的用量,制備出一系列具有不同中間層厚度的三層復(fù)合正滲透膜,并進(jìn)行性能測試評價。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):在1 mol/L NaCl作為汲取液,AL-DS(PA層朝向汲取液側(cè))模式下,所制的最優(yōu)樣(PES-CNT-PA-3)的水通量達(dá)到37.9 L m~(-2) h~(-1)(LMH),比相同測試條件下未引入CNT中間層的對照樣提高5.5倍,反向鹽通量低于0.5 g m~(-2) h~(-1)(gMH),性能顯著優(yōu)于目前文獻(xiàn)報道的復(fù)合正滲透膜。這說明CNT中間層有利于調(diào)節(jié)界面聚合反應(yīng)生成具有更高滲透性和選擇性的PA層。另外,不同厚度CNT中間層可實現(xiàn)對PA層結(jié)構(gòu)和性能的規(guī)律性調(diào)控,降低PA層對支撐層表面結(jié)構(gòu)和性能以及膜材料的依賴,為優(yōu)化PA層提供新的路徑。(2)以碳納米管為支撐層的雙層復(fù)合正滲透膜的制備及性能評價為了進(jìn)一步優(yōu)化膜結(jié)構(gòu),首次直接以超薄CNT膜作為支撐層,制備出具有雙層結(jié)構(gòu)的超薄復(fù)合正滲透膜,并進(jìn)行性能測試評價。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):在1 mol/L NaCl作為汲取液,AL-DS模式下,最優(yōu)樣CNT-PA-3復(fù)合膜的水通量超過150LMH,比具有傳統(tǒng)PES高分子基底膜的三層復(fù)合膜提高了約4倍,為目前文獻(xiàn)報道中的最高值;水滲透系數(shù)A達(dá)到9.22±1.14 LMH bar~(-1),超過文獻(xiàn)報道中多數(shù)TFC FO膜。雙層復(fù)合膜的膜結(jié)構(gòu)參數(shù)S僅為38μm,遠(yuǎn)低于多數(shù)文獻(xiàn)報道值。這說明CNT多孔薄膜用作正滲透膜支撐層,既有利于生成高滲透性的PA層,又有利于降低膜結(jié)構(gòu)參數(shù)S,優(yōu)化膜結(jié)構(gòu),降低內(nèi)濃差極化(ICP),極大提升復(fù)合膜的水通量,并制得高性能TFC FO膜。(3)獨立自支撐的聚酰胺超薄單層膜的制備及正滲透性能評價為了更加深入理解PA截鹽層結(jié)構(gòu)和性能的構(gòu)效關(guān)系,通過原位剝離方法在復(fù)合正滲透膜的基礎(chǔ)上制備了無支撐層的PA超薄膜,并進(jìn)行正滲透性能測試評價。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):PA超薄膜的上、下表面在形貌結(jié)構(gòu)和交聯(lián)度上均存在較大的差異。具有豐富“荷葉狀”結(jié)構(gòu)的PA超薄膜有利于增加PA的表面積,獲得較高的水通量,然而其中空的“荷葉狀”結(jié)構(gòu)形成了水力條件無法擾動的邊界層,造成嚴(yán)重的濃差極化現(xiàn)象,其中PA膜結(jié)構(gòu)參數(shù)為24μm;通過降低“荷葉狀”結(jié)構(gòu)的高度和數(shù)量,改變PA膜的結(jié)構(gòu)和形貌可以實現(xiàn)對內(nèi)濃差極化的調(diào)控,調(diào)控后的PA膜結(jié)構(gòu)參數(shù)為14.2μm。該部分工作不僅首次發(fā)現(xiàn)并揭示了無支撐層的PA超薄膜ICP產(chǎn)生的機(jī)理,而且提出了相應(yīng)的解決方案,同時修正了TFC FO膜的現(xiàn)有濃差極化模型,完善并加深了研究者對TFC FO膜內(nèi)濃差極化產(chǎn)生機(jī)理的認(rèn)識和理解。本文從調(diào)控膜結(jié)構(gòu)入手,以優(yōu)化膜性能為目標(biāo),制得了三種正滲透膜,詳細(xì)測試評價了PA層、CNT中間層以及支撐層對膜性能的影響,研究了復(fù)合正滲透膜各層之間的相互影響機(jī)制,為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計復(fù)合正滲透膜提供有益的借鑒和嘗試。
【圖文】：

圖 1.1 正滲透原理示意圖igure 1.1 Schematic illustration of FO proc膜過程，正滲透技術(shù)擁有諸多優(yōu)點透過程中，水分子的跨膜傳質(zhì)為自17）。相比于反滲透過程，正滲透技高滲透壓料液；（2）由于正滲透過較輕，可廣泛應(yīng)用于處理復(fù)雜水質(zhì)正滲透過程膜污染輕并易于清洗，降低膜清洗帶來的費用、降低運營術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用領(lǐng)域透技術(shù)的關(guān)鍵，長期以來一直受到

第 1 章 緒 論要的問題在于膜的水通量和截鹽率偏低，另外不適宜用于近幾十年，眾多研究不斷優(yōu)化提升薄層復(fù)合正滲透膜（T發(fā)成為性能優(yōu)異的更為先進(jìn)的正滲透膜（Ren 和 McCutc12）。TFCFO 膜由多孔支撐層和聚酰胺（PA）截鹽層構(gòu)成復(fù)合膜的機(jī)械強度，PA 截鹽層實現(xiàn)鹽和水的篩分。TFC ：相比醋酸纖維素 FO 膜，TFC FO 膜的水通量更高、截, 2012； Nathan 等, 2009），可以耐受較為寬泛的操作溫TFC FO 膜允許對支撐層和截鹽層分別進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ051.893

【參考文獻(xiàn)】

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1 周宗堯;胡云霞;劉中云;Edo Bar-Zeev;;海水淡化膜集成系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)勢分析[J];膜科學(xué)與技術(shù);2017年06期

2 何明;尹國強;王品;;微濾膜分離技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展[J];廣州化工;2009年06期

3 徐佳;阮國嶺;高從X&;;超濾膜預(yù)處理在膠州灣海水淡化的應(yīng)用[J];水處理技術(shù);2007年07期

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本文編號：2674174