【摘要】：船用海水淡化裝置是遠洋船舶必備的生活保障設(shè)施,受船舶上能源供應(yīng)的限制,利用廢熱或太陽能來淡化海水是遠洋船舶獲取淡水的重要發(fā)展趨勢。由于運行溫度較低,作為海水淡化技術(shù),膜蒸餾具有良好的應(yīng)用前景。膜性能是決定膜蒸餾分離效果的關(guān)鍵要素,靜電紡絲膜的高孔隙率,賦予其較高的通量,因而成為膜蒸餾領(lǐng)域的研究熱點之一。聚偏二氟乙烯(PVDF)的疏水性好,在很多極性溶劑中可溶,因此成為最常用的膜蒸餾用靜電紡絲膜原材料。但傳統(tǒng)PVDF靜電紡絲膜的抗?jié)櫇衲芰^弱,應(yīng)用于膜蒸餾過程的穩(wěn)定性欠佳。為提高靜電紡絲膜抗?jié)櫇衲芰?本文從靜電紡絲膜表面到構(gòu)成膜的納米纖維,進行了多層級的本征性疏水強化修飾,提高了膜的抗?jié)櫇裥?同時,探明了靜電紡絲膜在膜蒸餾過程中的潤濕機理,實現(xiàn)了膜通量的再生;最后,對基于靜電紡絲膜的膜蒸餾海水淡化進行了研究,驗證了其在船舶上的應(yīng)用可行性。主要研究內(nèi)容包括以下五個方面:(1)表面負(fù)載納米碳顆粒提高靜電紡絲膜的抗?jié)櫇裥?針對傳統(tǒng)PVDF靜電紡絲膜長時間運行過程中易潤濕的問題,采用表面噴涂和熱壓的方法,在靜電紡絲膜表面固載一層疏水性納米碳顆粒。因納米碳顆粒具有更高的疏水性,改性膜的接觸角從130.6°提高到156.0°。膜蒸餾脫鹽實驗結(jié)果表明,改性后膜的通量和抗?jié)櫇裥跃蠓岣�。�?dāng)納米碳顆粒的負(fù)載量為4g/m2時,厚度為160μm膜的水通量達14.6kg/m2h,比原膜提高了 33%;穩(wěn)定運行時間提高到41.5h,比原膜增加了 34%。(2)表面覆蓋超疏水碳納米管(CNT)網(wǎng)絡(luò)層提高靜電紡絲膜抗?jié)櫇裥?為避免球形碳納米顆粒易沉積到靜電紡絲膜孔內(nèi),及納米顆粒堆積間隙較小導(dǎo)致的傳質(zhì)阻力變大的現(xiàn)象,采用疏水性CNT對靜電紡絲膜表面改性。為了使CNT在膜表面分布均勻,選擇快速揮發(fā)并能完全潤濕PVDF膜表面的乙醇作為溶劑,制備成CNT含量較低的分散液后,噴到膜的表面;經(jīng)過熱壓使CNT與靜電紡絲膜結(jié)合。SEM結(jié)果顯示,CNT在靜電紡絲膜表面均勻分布并交織成薄網(wǎng)絡(luò)層。由于CNT的強疏水性,改性后膜表現(xiàn)出高達159.0°的接觸角。膜蒸餾脫鹽實驗結(jié)果表明,當(dāng)碳納米管覆蓋量為20g/m2時,厚度為100μm膜水通量比原膜提高了 33%,達28.4 kg/m2h;穩(wěn)定運行時間提高到25 h,比原膜增加了 78%。(3)低表面能聚二甲基硅氧烷改性納米纖維制備高抗?jié)櫇裥缘撵o電紡絲膜:表面負(fù)載超疏水性納米顆粒會導(dǎo)致膜表面孔徑發(fā)生變化,為此提出對構(gòu)成靜電紡絲膜的納米纖維進行疏水化改性,采用浸涂法將聚二甲基硅氧烷包覆到納米纖維表面,制備出本體強疏水的靜電紡絲膜。得益于聚二甲基硅氧烷更低的表面能,改性膜的接觸角上升到148.6°。膜蒸餾脫鹽實驗結(jié)果表明,對于厚度為80μm的靜電紡絲膜,原膜的膜蒸餾穩(wěn)定運行時間低于1h,而改性膜的抗?jié)櫇衲芰τ辛嗣黠@提高,穩(wěn)定運行時間增加到22h;同時,由于膜厚度減小使得傳質(zhì)阻力更低,通量提高到30.2kg/m2h。(4)靜電紡絲膜潤濕機理及通量恢復(fù)研究:針對靜電紡絲膜在膜蒸餾中更易潤濕的問題,通過分析膜潤濕后疏水性和孔徑的變化,探明了靜電紡絲膜在膜蒸餾中潤濕機理。在膜蒸餾運行中,進料溶液會部分陷入膜孔中,水蒸汽會在陷入膜孔中的凹液面蒸發(fā),當(dāng)沒有新鮮進料液補充時,溶質(zhì)會在膜孔中結(jié)晶。進料液可以沿著結(jié)晶的溶質(zhì)滲透,使結(jié)晶位置從膜的進料側(cè)向透過側(cè)移動,直到膜完全潤濕。物化性質(zhì)分析證實,潤濕膜的孔中結(jié)晶了 NaCl,導(dǎo)致了孔徑分布發(fā)生變化、疏水性變差。根據(jù)潤濕機理,通過膜清洗,去除膜孔中的NaCl,膜通量可以完全恢復(fù),實現(xiàn)了膜的再生。(5)靜電紡絲膜在膜蒸餾法船用海水淡化中的可行性分析:設(shè)計了日產(chǎn)十噸的船用海水淡化工藝。為了避免靜電紡絲膜的潤濕,在工藝中設(shè)計了定時反沖洗方法,以確保膜蒸餾過程連續(xù)穩(wěn)定運行。根據(jù)系統(tǒng)產(chǎn)水量,計算了所需的靜電紡絲膜面積,估算了系統(tǒng)的熱負(fù)荷,以及海水預(yù)處理所需的超濾膜組件數(shù)量。結(jié)果表明,采用靜電紡絲膜并利用船舶廢熱,在小型船用海水淡化系統(tǒng)中是可行的,且具有良好的發(fā)展前景。
【圖文】：

日本Ｓａｓａｋｕｒａ等公司，日產(chǎn)水量基本都在數(shù)百噸左右。逡逑反n蟯阜ㄊ且恢忠醞餳友沽ξ貧�，利用芭F改さ難≡褳腹裕掛恢址皺義獻油腹�，而截裂U硪恢址腫擁姆擲牘蹋保矗梗擔(dān)玻�，其工艺流程壤_跡保乘盡７瓷義賢阜êＫ話悴捎鎂硎僥ぷ榧哐購Ｋ涌淺探�，经反渗透膜后进葼┸辶x銑膛懦觥Ｆ渲鋅淺棠詰吶êＫ肽芰炕厥兆爸沒厥詹糠指哐鼓�。峨s諦⌒頭磏蟈義賢復(fù)煤Ｋ爸�，为了简化设备并减小设眲偧地空间，，常省麻嗆量回收装种櫍辶x戲瓷阜ù煤Ｋ饕視糜諦杷拷洗蟮腦堆笥嬉瞪⒋笮陀溫值�。辶x霞右╁渭右╁義顯Ｋ吭ご懟義顯緬胃哐貢緬義系肌淥低沖澹肌蟠恚蕖矗尷擔(dān)蓿咭誨義嚇êＫ歐佩澹肌芰炕厥斟義賢跡保撤瓷負(fù)Ｋひ樟鞒掏煎義希疲椋紓酰潁邋澹保沖澹疲歟錚麇澹悖瑁幔潁翦澹錚駑澹潁澹觶澹潁螅邋澹錚螅恚錚螅椋簀澹洌澹螅幔歟椋睿幔簦椋錚鑠澹穡潁錚悖澹螅簀義希跺義

本文編號：2652008