促进传质渗透汽化膜的分子结构调控和脱盐性能研究
随着人类社会与经济的发展，淡水资源的缺乏已成为全球性的问题。将含盐水进行淡化处理是解决问题的有效办法。膜技术的发展使反渗透(RO)主导了脱盐应用（80％以上），但其过程伴生了大量的浓盐废水，处理难度高、排放则破坏生态环境。近年来最有希望的膜蒸馏(MD)技术，以其通量高、产水水质好得到了广泛的研究，但结果表明膜因污染或盐结晶导致的润湿现象严重，致使脱盐过程不能有效持续进行。与MD工作原理接近的另一种膜技术—渗透汽化(PV)逐步进入人们的视野。与使用疏水多孔材料的MD不同，PV使用亲水性致密膜材料。但通常致密膜的通量较低，这也是这一有潜力的浓水脱盐技术成功应用的最大障碍。本论文以提高PV通量为目标，从以下三个方面展开了研究: 1.PV过程中的促进传质机理研究。研究表明，磺化交联剂交联PVA薄膜(S-PVA)，可以有效地克服膜结构水中稳定性和水分子传质效率此消彼长(trade-off)的关系;在提高薄膜结构稳定性的同时，提高了水分子的传质效率。这是由于磺酸基团的存在，使得水分子在薄膜内除了菲克(Fick)扩散外，还额外添加了磺酸基对水的促进传质作用。通过一系列的补充实验、分子动力学模拟和模型计算，发现薄膜内较高的磺化交联剂含量可以提高磺酸基团附近局部的水浓度，增强水-磺酸基之间的长距离相互作用和水分子的迁移速率。这为交联PV膜在脱盐过程中的水通量显著增加奠定了基础。结果表明，随着磺酸基团含量的提高，水扩散系数对水浓度的依赖性降低。更重要的是，“干膜区”水分子扩散的快慢决定了水在膜内整体的传质效率，而这一区域的水分子扩散系数也受磺酸基团促进传质的影响而得到提高。磺酸基团的促进传质作用，对以微咸水、海水和卤水为原液生产纯水的PV膜材料的设计产生了潜在地影响。 2.PVA薄膜磺化交联剂的优选。通过分子动力学模拟和验证实验，比较了小分子型和聚合物型的磺化交联剂与PVA基体之间的混溶性。由结果可知:小分子交联剂的羧基之间更倾向于通过氢键作用形成羧基二聚体，而不是与PVA的羟基接触，所以很难形成完整的酯化交联结构，薄膜的交联密度低。在淋洗试验中，小分子交联的PVA薄膜表现出了较差的水中稳定性，质量损失是聚合物交联PVA薄膜的5至6倍。聚合物交联PVA薄膜的力学性能（杨氏模量、起始断裂应力和应变）要优于小分子交联的PVA薄膜。聚合物交联PVA薄膜作为PV脱盐复合膜的致密层时，在最高的跨膜压力下，致密层依然能保持结构完整。 3.PV脱盐复合膜的制备及其性能。将PVA铸膜液涂覆于CPVC超滤膜之上，制备PVA/CPVC复合膜。在70℃时，其PV脱盐纯水通量为57.9±1.8kg m-2h-1，截留率99.9±0.1％。使用喷涂法在氧化铝陶瓷膜的表面制备厚度为72nm的超薄PVA致密层。因超薄致密层的传质阻力低，在75℃时，PVA/氧化铝复合膜的PV脱盐纯水通量为148.1±7.7kg m-2h-1，截留率99.6±0.4％。使用静电纺丝制备PAN纳米纤维支撑层，并在此基础上喷涂厚度为0.73μm的PVA致密层，制备出PVA/PAN纳米纤维复合膜。因静电纺丝支撑层的大孔径和超低气体透过阻力，在75℃时，PVA/PAN纳米纤维复合膜的PV脱盐纯水通量达到了211.4±11.3kg m-2h-1，截留率99.8±0.2％。原液在35至75℃和1.5至20wt.％的盐浓度范围内，PVA/PAN纳米纤维复合膜的脱盐效率均优于已报道的PV和MD脱盐膜，并且展现出了良好的耐有机污染能力。
渗透汽化膜;磺化交联剂;结构调控;脱盐性能
北京化工大学
博士
材料科学与工程
曹兵
2020
中文
TB383
2020-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）