疏水膜材料的膜孔润湿与干燥研究

针对疏水膜润湿后的膜孔干燥问题,提出一种新的膜孔干燥方法,认为疏水膜存在一个临界润湿深度和自脱水效应,当膜孔被润湿深度小于该疏水膜材料的临界润湿深度时,利用表面张力的作用,疏水膜可以实现膜孔的自脱水。以十二烷基苯磺酸钠溶液作为快速污染物,用聚偏氟乙烯中空纤维疏水膜进行减压膜蒸馏的润湿与自脱水干燥实验,实验结果表明,对于所使用的3种不同厚度的膜丝,疏水膜的确存在临界润湿深度,其值均为(19.5±0.5)μm,与所用膜丝的厚度无关。在膜孔润湿深度小于临界润湿深度时对疏水膜进行清洗,可以实现疏水膜的自脱水干燥,从而实现膜蒸馏过程的持续运行。     

延缓疏水膜润湿的原料液预处理方法研究

亲水化渗漏是疏水膜技术应用面临的关键性瓶颈问题之一,其产生的主要原因是水体中污染物中的表面活性物质对疏水膜的润湿作用.本文提出利用絮凝强化气-液萃取的预处理工艺以去除原液中的表面活性物质,以期减缓疏水膜的润湿进程.以十二烷基苯磺酸钠来模拟代表水体中腐殖酸等荷负电性表面活性物质,用聚偏氟乙烯中空纤维疏水膜进行减压膜蒸馏的润湿实验,探究预处理方法、预处理过程中絮凝剂的荷电性、种类以及用量对疏水膜材料亲水化渗漏的影响.结果表明：絮凝强化气-液萃取的预处理工艺可以有效去除原料液中的表面活性物质;阳离子型絮凝剂预处理效果优于阴离子型;有机絮凝剂预处理效果优于无机絮凝剂;当阳离子型聚丙烯酰胺加入量为12 mg/L时,表面活性物质十二烷基苯磺酸钠的去除率与未经絮凝预处理相比提高了17%.     

疏水陶瓷膜的改性与应用研究进展

疏水陶瓷膜具有优异的抗水润湿性能,在油水分离、膜蒸馏、膜乳化等膜过程中具有广阔的应用前景.本文简要介绍了疏水陶瓷膜的定义,综述了近年来陶瓷膜在疏水改性方面的研究进展,总结了疏水陶瓷膜在不同膜过程的应用探索,最后展望了疏水陶瓷膜在超疏水改性及过程应用等方面所面临的机遇与挑战.     

蛋壳膜模板浸渍负载法制备疏水材料

目的 研究以复杂网状孔隙结构蛋壳膜为模板的疏水材料制备过程及性能,以期综合利用废弃蛋壳开发特定结构材料.方法 通过浸渍法使蛋壳膜表面稳定负载二甲基硅油和纳米聚四氟乙烯颗粒,经干燥后得到疏水材料.利用静态接触角表征了材料的疏水性能,并对材料成功负载进行红外及能谱表征.对材料的表观结构,进行扫描电镜及原子力显微镜测试.结果 SEM和AFM测试表明,材料具备纳米级粗糙表面,符合Cassie-Baxter疏水机制,在聚四氟乙烯纳米粉与二甲基硅油的质量比为2∶10时,浸渍24 h,接触角可达147°.结论 利用蛋壳膜结构可制备疏水材料,浸渍法简单可行,浸渍液中成分的配比、浸渍时间决定了材料的疏水性能.     

PVDF超疏水微孔膜调控研究

提高疏水膜表面的疏水性是降低其应用过程中润湿风险的有效方法.为了便捷有效地调控膜结构从而提高膜的疏水性,采用非溶剂致相分离法,以水作为非溶剂添加剂,希望通过调节初生膜的预蒸发时间这一最便捷的手段,调控膜的结构及疏水性.结果表明,随着预蒸发时间的延长,铸膜液黏度增加,有利于膜表面凝胶化的形成,从而在膜表面构建出均一超疏水结构.当预蒸发时间达到120 s时,膜表面的水接触角达到151.2°,膜的气体渗透通量为40.9 mL/(m~2·s·Pa),透水压力达到65.3 kPa.     

气体吹扫对疏水膜的干燥作用

针对疏水膜的膜孔干燥问题,研究了采用20℃的室温气体吹扫干燥疏水膜的方法.本文首先采用不同流量的吹扫气体对中空纤维膜组件进行吹扫,发现疏水膜存在一个吹扫气体压力限值,此值在0.108~0.144 MPa之间,当吹扫气体压力在此范围内,膜孔中的水可以被全部排出,从而使疏水膜恢复至干燥状态.其次探究了含湿量不同的两种气体对疏水膜的吹扫作用原理,确定气体在吹扫过程中主要表现为吹扫气体的机械剪切力作用而不是气体载湿干燥作用.     

膜蒸馏过程探讨

讨论了膜蒸馏涉及的膜材料特性.提出水膜阻力概念,认为疏水膜材料结构的优化与膜蒸馏工艺有关.提出鼓泡膜蒸馏方法,在热流体中鼓入空气气泡,由气液两相流效应来强化热流体的扰动.提出透气膜蒸馏方法,通过气体的吹扫夹带作用,使膜孔内水蒸气的传质由低效的扩散转为高效的对流机理.提出曝气膜蒸发方法,利用不同温度的空气吸湿原理进行膜曝气.将膜蒸馏过程与化学除硬度、超滤耦合,可除去结垢性钙镁离子;将膜蒸馏过程与气浮絮凝过程耦合,可除去有机污染物,实现高倍率浓缩.提出多效膜蒸馏方法,膜组件兼有蒸发与换热功能,使膜蒸馏过程中的水蒸气冷凝与原水加热过程耦合,可以实现低成本的膜蒸馏过程.     

超疏水表面融霜演化行为及排液特性

及时脱除热力除霜后冷表面残留液滴,可以延缓二次结霜。本文对室温环境下超疏水表面融霜演化行为进行了微观可视化观测,对比分析了表面倾角对裸铝表面(接触角88. 0°)及超疏水表面(接触角151. 1°)融霜排液的影响。实验结果表明,水平超疏水表面融霜过程存在单液膜卷曲收缩及多液滴合并两种行为,较大的静态接触角及较小的接触角滞后是促使多液滴合并的主要原因。与倾斜裸表面融霜过程存在大量残留液滴不同,超疏水表面融霜液可实现自排除;当表面倾角>30°时,超疏水表面排液率可达90%以上。结合表面润湿特性及表面倾角推导出表面液滴临界脱落半径,与实验结果吻合较好。     

CF_4等离子体改性超疏水膜蒸馏膜材料

膜蒸馏膜的疏水性是控制出水品质和过程运行稳定性的关键之一.本文系统总结了本课题组采用CF4等离子体对亲水、疏水膜材料进行疏水改性用于膜蒸馏的研究进展,描述了CF4等离子体的改性机理及疏水改性膜的直接接触式膜蒸馏过程的性能等.对超疏水改性对膜性能影响的机理进行了探索,发现(超)疏水改性可提高膜蒸馏过程的有效蒸发面积,从而提高膜蒸馏过程的热效率和通量,为制备高性能新型蒸馏膜材料提供了新思路.     

长效稳定的超疏水氧化铝表面的制备与性能

通过在载玻片表面涂覆一层由溶胶-凝胶法制备的氧化铝溶胶,再经过一定的热处理、沸水处理和表面修饰等工艺,得到了一种超疏水性氧化铝表面。利用接触角测试和扫描电子显微镜观测等技术对薄膜的制备过程、表面形貌和微观结构、润湿性能及其稳定性等进行了考察。结果表明:所制得的氧化铝薄膜由多孔的花瓣状粗糙结构和疏水长链单分子层构成,从而赋予该薄膜具有超疏水特性。而且,所制备的薄膜在空气中放置一年后,其表面仍然保持超疏水特性,表明该薄膜的超疏水特性十分稳定。同时,该薄膜在较宽的pH值范围内,其表面都呈现出十分强的疏水特性,如当水滴的pH值在1-11范围内时,薄膜表面接触角均在146°以上;而当水滴的pH值达到13.8时,其接触角显著降低。     

面向应用的膜蒸馏过程再探讨

讨论了膜蒸馏涉及的膜材料特性和应用中面临的问题.膜蒸馏过程实质属于传热控制过程,研究膜蒸馏过程的重点在于研究膜蒸馏过程中热量的传递与回收.吸收膜蒸馏传质过程无相变热损失,疏水膜兼具有传质与导热双重作用.采用曝气膜蒸馏工艺对反渗透浓水进行了连续高倍率浓缩,膜组件没有发生亲水化和膜污染问题,说明曝气膜蒸馏工艺在高盐度、易结垢的废水深度浓缩方面具有较好的应用潜力.水膜阻力本质是气体穿过多孔膜表面的气/液两相界面所需克服的界面张力,除了与膜材料本体特性、膜表面结构等因数有关外,还与气体传输方向有关.与传统中空纤维膜相比,设计的异形中空纤维多孔膜,断裂强力有很大的提高.将热泵技术与减压膜蒸馏过程耦合,热泵制热系数COP与蒸发器流速、冷凝器流速和膜蒸馏通量之间存在显著相关性.     

聚偏氟乙烯膜的超疏水改性研究

为提高疏水膜的疏水性能,使其可在膜蒸馏、膜吸收等领域有更广泛的应用.采用溶液相转移法制备超疏水性聚偏氟乙烯(PVDF)分离膜,考察了铸膜液中PVDF和非溶剂(低分子二醇类化合物PG)的浓度对膜润湿性能的影响.结果表明,通过改变铸膜液中PVDF、PG的浓度,能使PVDF膜的表面静态接触角从75.1°提高到161.7°,滚动角仅为15.8°.还研究了PVDF复合膜的制备条件对膜润湿性能的影响,结果表明,在一定的非溶剂浓度范围,增加复合膜涂覆液中非溶剂PG的加入量,有利于得到较高的复合膜表面接触角,但膜丝在涂覆液中的浸泡时间也需要相应延长.当非溶剂PG的质量分数为39.1%、浸泡时间为50 s时,复合膜表面接触角达到了155°.     

超疏水材料在液压作用下的润湿行为

在超疏水界面光反射的基础上,用抽真空和压力驱动的方法研究了荷叶、超疏水ZnO阵列在水下的界面润湿行为和微结构中截留气体对其润湿行为的影响。结果表明:当有气体截留时受所加最大压力和微结构几何形貌的影响,超疏水界面在加压和减压过程中表现出不同的润湿可逆性;超疏水材料表面微结构中截留的气体能延迟水的侵入并提高超疏水稳定性;在特定情况下,随着外部压力的减小截留气体的膨胀能推动和排出侵入的水并引导反润湿过程。因此,截留气体有利于超疏水状态的存在。由于三相接触线密度的不同,纳米结构在压力作用下比微米结构表现出更为优异的疏水稳定性。     

采用表面凝胶化技术制备超疏水性涂膜

采用表面凝胶化技术制备了超疏水性涂膜.在醇溶性氟化聚合物溶液中,在水量不足的酸性条件下,掺杂聚四氟乙烯(PTFE),得到了杂化复合溶胶.涂敷后,以表面凝胶化技术为手段,在涂层表面形成了微米和纳米相结合的阶层结构膜.TEM和XPS证实了凝胶化只在膜表面发生,SEM和AFM观察到膜表面的形貌与天然荷叶表面极其相似.该方法制备的涂膜对水的接触角高达155°,并具有良好的力学性能,可用于制备超疏水性功能化膜材料.     

疏水型SiO2气凝胶薄膜的制备

二氧化硅气凝胶薄膜是一种应用广泛的功能材料.本文采用sol-gel技术和dip-coating镀膜工艺,在玻璃表面上形成了SiO2气凝胶薄膜,对SiO2膜层进行表面修饰处理,得到了疏水型SiO2气凝胶薄膜.研究了催化剂与老化过程对薄膜物性的影响.结果表明该疏水膜能使玻璃表面与水的接触角由50°提高至125°,有明显的疏水效果.     

超疏水Ti6Al4V表面的制备及其润湿性

为了使Ti6Al4V合金具有超疏水特性,采用激光技术加工规则点阵状纹理,然后采用自组装技术在试样表面制备自组装分子膜,得到了超疏水Ti6Al4V表面.激光加工构造的微米级点阵结构规整,形成了具有一定高度的类似锥台或柱状的凸起.通过激光加工和沉积自组装分子膜,Ti6Al4V试样表面的水接触角显著增大,最大可达到151°.将测得的接触角与分别用Wenzel模型和Cassie模型计算的理论值进行比较,实测结果更接近Cassie模型的结果.通过改变激光加工表面微结构的参数,可以控制表面接触角的大小.随着表面粗糙度值的增大,接触角呈增大趋势.当表面粗糙度大于4μm时,接触角均大于150°,形成超疏水表面.     

炭膜表面疏水改性及老化性能研究

采用溶胶凝胶法,以正硅酸乙酯(TEOS)和甲基三乙氧基硅烷(MTES)为混合硅源,合成疏水硅溶胶,将其浸渍涂覆在卷式炭膜上,经干燥、热处理制备了具有高疏水性能的疏水炭膜.考察了硅溶胶制备工艺和膜热处理工艺对所制备炭膜疏水性能的影响.采用水接触角测试仪、TG、FTIR、AFM、SEM和TEM等测试手段,对疏水炭膜的表面结构和疏水性能进行了表征.结果表明,通过硅溶胶表面改性,在炭膜表面引入了甲基化的二氧化硅的表面结构,提高了其疏水性能.硅溶胶的制备工艺对所制备疏水炭膜的表面化学结构、形貌及粗糙度有较大的影响.其中硅溶胶合成反应温度对提高膜表面疏水性能的影响最为显著;膜表面甲基基团含量对改善炭膜表面的疏水性能起到决定性作用.通过控制硅溶胶合成和膜的热处理工艺可以有效地调控疏水炭膜的表面疏水性能;在最佳条件下制备的疏水炭膜,其表面粗糙度为34.263nm;水接触角达到138°左右,表现出良好的疏水性能.气体渗透性能测试表明,炭膜疏水改性对炭膜的气体渗透性能影响较小,但明显地提高了炭膜的抗老化性能.     

氟树脂对聚偏氟乙烯膜疏水性的影响

采用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂,以氟树脂为疏水助剂,制备聚偏氟乙烯(PVDF)膜.采用不同偶联剂对疏水助剂氟树脂进行改性,研究了改性氟树脂对PVDF膜疏水性的影响.研究结果表明:添加疏水助剂氟树脂可改善PVDF膜的疏水性.当经偶联刺G502改性的氟树脂添加量为10%时,PVDF膜与水的静态接触角达到120°.通过集灰实验表明添加改性氟树脂的PVDF膜具有较好的疏水性.     

仿生超疏水涂层材料研究新进展

介绍了有关固体表面润湿性模型和构建超疏水表面涂层常用的低表面能物质,结合粗糙表面的构建方法,阐述了有关超疏水表面涂层材料的最新研究进展,指出超疏水涂层材料研究中存在的问题,并对超疏水涂层材料在油品输送、生物传感器,微流控件和智能分离膜等领域的应用前景进行了展望.利用低表面能物质对粗糙结构表面进行修饰,将涂层表面粗糙化与低表面能物质修饰两种技术进行有机结合是构建超疏水表面涂层的有效途径.     

超疏水膜的研究进展

近年来,由于超疏水膜表面在自清洁、微流体系统和特殊分离等方面的潜在应用,超疏水性膜的研究引起了极大的关注.本文着重讨论了超疏水膜的化学组成及物理结构、制备方法,并对超疏水膜的发展方向进行了展望.