水資源匱乏、水環(huán)境污染是當今世界普遍存在的問題,與此同時,地球表面約97.5%的水為海水或者苦鹵水,因其含鹽量過高而無法直接用于人類的生產(chǎn)和生活。膜蒸餾作為一項新型高效的膜分離技術(shù),可充分利用太陽能、地熱、廢熱等低品質(zhì)熱源,在海水淡化和廢水處理等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。膜蒸餾是在熱驅(qū)動條件下采用高疏水微孔膜,以膜兩側(cè)蒸汽壓差為傳質(zhì)動力的非等溫膜分離過程,通過阻隔膜兩側(cè)的水溶液同時允許水蒸氣穿過膜孔實現(xiàn)對鹽水分離的目的。與一般的熱法脫鹽技術(shù)相比,膜蒸餾具有較低的操作溫度;操作壓力比其他以壓力為推動力的膜分離過程顯著降低。分離膜是膜蒸餾技術(shù)的核心,因此新型高性能膜蒸餾用膜的研發(fā)是實現(xiàn)膜蒸餾技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵因素。理想的膜蒸餾用膜應(yīng)該具有足夠的疏水性、微孔性和良好的透氣性能以便于在長時間穩(wěn)定運行過程中保持高效的水蒸氣的滲透傳輸,同時應(yīng)具備良好的機械強度、化學及熱穩(wěn)定性。但是傳統(tǒng)的疏水微孔濾膜存在孔隙率低、閉孔結(jié)構(gòu)和疏水性不足的問題,導(dǎo)致其滲透通量和長時間截留效果均不理想。相比之下,由靜電紡絲技術(shù)制備的疏水納米纖維多孔膜具有高表面積體積比、高孔隙率、相互連通的孔道結(jié)構(gòu)以及可控的膜厚度等特點,... 

【文章來源】：東華大學上海市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：155 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

全疏液膜制備過程示意圖[41]

PVDF是一種半結(jié)晶聚合物,性能次于PFTE,其表面能為30.3×10-3N/m[68]。PVDF的綜合性能比較均衡,很容易溶解在常用溶劑中,如二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAC)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)。得益于優(yōu)異的制膜性能,PVDF在膜蒸餾領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。PP也具有高度結(jié)晶的結(jié)構(gòu),其表面能(30×10-3N/m)比PTFE相對更高[61],耐氧化性相對較差。但是在這三種疏水材料中,PP的熱傳導(dǎo)系數(shù)最低。根據(jù)Al-Obaidani等人的研究,具有較低導(dǎo)熱系數(shù)的膜材料顯示出更高的滲透通量和熱效率(如圖1-4所示)[69]。同時,PP材料具有潛在的高抗?jié)裥院土己玫幕瘜W穩(wěn)定性[70]。特別是,PP廉價易得并且可以加熱溶解在部分非極性溶劑中,主要通過熱致相分離法以及拉伸法制備成膜。

靜電紡絲是一種新興的制備微納米纖維的有效技術(shù),其原理是利用高壓靜電場使聚合物溶液帶電,液滴在靜電斥力的作用下變成泰勒錐并克服液滴表面張力形成射流,經(jīng)過電場進一步拉伸固化,無序堆積在接收裝置上,形成靜電紡納米纖維膜。如圖1-5所示,靜電紡絲裝置主要包括推進泵、金屬針頭、高壓電源和接收裝置[83]。纖維形貌和取向主要受溶液性質(zhì)(溶液濃度、聚合物分子量、溶液電導(dǎo)率、溶劑的揮發(fā)性)、操作條件(電壓、推進速率和接收距離)和環(huán)境因素(溫度和濕度)的影響[84]。通過調(diào)控紡絲參數(shù),具有不同纖維微觀結(jié)構(gòu)和宏觀形貌的納米纖維分離膜可通過靜電紡絲技術(shù)制備[85,86]。由于具有高孔隙率、比表面積大、結(jié)構(gòu)厚度可控以及易功能化等優(yōu)勢,越來越多的研究者將納米纖維膜應(yīng)用于膜蒸餾領(lǐng)域[83]。目前,科研人員基于納米纖維基體,通過結(jié)合不同的高分子合成、改性和后處理方法,已經(jīng)成功研制出一批性能優(yōu)良的膜蒸餾用納米纖維分離膜。2008年,Feng等人[87]首次報道利用靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維多孔膜應(yīng)用于氣隙膜蒸餾來生產(chǎn)飲用水。研究人員將濃度為18 wt%的PVDF溶解在DMF中,電紡出纖維直徑約為500 nm,水接觸角為130°的納米纖維膜。在不同濃度的Na Cl溶液(1%、3.5%、6%)以及15-60℃的溫度差范圍內(nèi)對納米纖維進行膜蒸餾測試(如圖1-6所示)。氣隙膜蒸餾試驗表明滲透通量隨溫差的增加呈指數(shù)增加,在3.5 wt%的NaCl濃度和溫差60℃的條件下,PVDF納米纖維膜的滲透通量為11-12 kg/m2h,脫鹽率在98.7-99.9%范圍內(nèi),產(chǎn)出的水達到可飲用的標準,充分證明了將靜電紡納米纖維膜應(yīng)用于膜蒸餾的可行性。Liao等人[88]對比了靜電紡納米纖維膜與傳統(tǒng)商業(yè)微孔PVDF膜的膜蒸餾性能,發(fā)現(xiàn)其水通量要遠高于商業(yè)膜。


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