太阳能光热-光电中空纤维真空膜蒸馏系统理论与实验研究

自主设计并搭建了太阳能光热-光电中空纤维膜蒸馏系统,太阳能光热采用面积1.82 m²真空管集热系统,光伏发电采用面积1.63 m²多晶硅电池板。实验方面,研究了不同工况下,热料液在不同流动方式时膜通量的差异;研究了在不同跟踪方式下太阳辐照度对系统性能的影响。结果表明：料液在管程流动的膜通量大于壳程的膜通量,且进口料液温度取50~70℃之间为宜;自动跟踪下膜组件入口温度比非跟踪高2~3℃,可以延长膜蒸馏系统运行时间1~2 h,且在相同的自然环境下,自动跟踪方式最大膜通量8.89 kg/(m²·h)远高于非跟踪方式时4.26 kg/(m²·h)。理论方面,分析了以水为工质的中空纤维膜蒸馏的传热和传质过程,建立了传热传质理论计算数学模型;分析了辐照强度、膜表面温差、膜丝内表面传热系数、传热与传质通量的定量关系,计算了膜面温度与理论膜通量,对比了实验值与理论值。系统运行稳定,能量综合利用效率高,性能可靠,为工程应用奠定了理论和实验基础。     

膜法在某核电站海水淡化系统中的设计应用

海水淡化技术是解决核电站淡水资源缺乏的一个重要途径。针对某核电站10 000 m³/d海水淡化系统的要求,采用“原水预处理(混凝沉淀+V型滤池)+反渗透预处理(超滤)+脱盐(两级反渗透)+后处理(矿化处理)”的处理工艺。其中混凝沉淀池总处理水量为1 800 m³/h;V型滤池滤速为9 m/h;超滤系统平均膜通量为72.9 L/(m²·h),回收率≥92%;一级反渗透系统平均膜通量为13.79 L/(m²·h),回收率45%,脱盐率≥99.3%;二级反渗透系统A平均膜通量为29.31 L/(m²·h),回收率85%,脱盐率≥97%;二级反渗透系统B平均膜通量为27.18 L/(m²·h),回收率85%,脱盐率≥97%;反渗透产水经过矿化设备,产水水质稳定能满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)的要求。该系统其运行成本为4.57元/m³。     

三嗪框架聚合物膜用于有机纳滤甲醇/正己烷分离

具备耐各种有机溶剂的微孔聚合物膜在有机纳滤领域逐渐受到重视。采用双氰基单体的超酸催化成环聚合反应，制备微孔框架聚合物薄膜(CTF-BP)，该膜具备良好的力学性能，可耐受甲醇和正己烷等常见有机溶剂。CTFBP膜内大量<1.0 nm的微孔通道使膜具备良好的筛分性能，其截留分子量为550。膜内含有的三嗪结构与羟基具有较强的亲和性，使甲醇的跨膜通量[1.10 L/(m²·h·bar)]显著高于黏度更低的正己烷通量[0.23 L/(m²·h·bar)]。采用纳滤操作将膜用于分离含低浓度甲醇的正己烷溶液[含5%(质量)甲醇的正己烷溶液]，结果显示甲醇/正己烷分离因子最高可达到1485，渗透液的总流量超过3.21 kg/(m²·h)。证实CTF-BP膜有望实现高效甲醇/正己烷分离。     

CS@CAU-10复合膜的制备及其对乙醇/水的分离性能

利用原位生长法在氧化铝载体上制备金属有机骨架CAU-10膜，并在其表面覆盖一层壳聚糖(CS)得到CS@CAU-10复合膜。考察了CAU-10膜合成液浓度、CS醋酸水溶液浓度以及操作温度对膜层的结构和性能的影响。结果表明，在合成液浓度为0.06 mol/L、CS质量分数为3%时获得的膜层性能最好；升高温度，该膜通量增大、分离因子下降；在30℃时，原料的水质量分数从5%增大到20%,总通量由91 g/(m²·h)增加至450 g/(m²·h),分离因子从497降低至92。该膜与其他乙醇脱水膜相比具有一定的优势。     

太阳能气隙式膜蒸馏脱盐实验研究

将太阳能加热器与气隙式膜蒸馏耦合,以质量分数3%的NaCl水溶液作为测试料液,进行太阳能气隙式膜蒸馏脱盐实验,研究热料液进口温度和流量、冷料液进口温度以及不同天气条件等对膜蒸馏产水通量和电导率的影响。结果表明,随着热料液进口温度和流量的增加,产水通量显著增大;而冷料液温度的升高则会使产水通量下降。不同天气条件下膜蒸馏产水通量差异较大,光照条件较好的晴天通量较高,阴天产水较少。当太阳能的集热面积为1.85 m~2、有效膜面积为1 m~2、进料体积流量为150 L/h时,该系统的最大产水通量为2.7 L/(m~2·h),日产水总量最大可达11.7 kg,产水电导率稳定在5~15μS/cm,脱盐率达到99.99%。实验结果对解决我国偏远岛礁的饮水问题具有一定的参考意义。     

含甲基纤维素的NaA沸石膜的制备和表征

NaA沸石膜具有规则的孔道结构,利于分子传输,在有机物脱水领域有一定的应用。为使沸石膜生长更连续均匀,提高渗透汽化性能,本文以甲基纤维素作为空间限制剂加入合成液,探究碱度、晶化温度以及晶化时间对膜的影响,按最优条件制备合成液,并依据质量比m(MC)∶m(H₂O)=1∶100添加甲基纤维素,制备NaA沸石膜。表征方法采用XRD、SEM和渗透汽化3种方式,结果表明添加甲基纤维素的沸石膜表面结构完整,生长致密且性能优良,在75℃下对0.6mol/L的NaCl水溶液做渗透汽化测试时,通量达8.33kg/(m²·h),盐离子截留率为99.95%。在0.6mol/L的NaCl的水溶液中测试72h,结果表明添加甲基纤维素的NaA沸石膜时间依存性更好,通量保持在8.30kg/(m²·h)左右,离子截留率稳定在99.90%。渗透汽化分离ω(C₂H₆O)=90%乙醇的水溶液,随着温度从60℃升高到75℃,沸石膜的通量由1.55kg/(m²·h)升高到2.56kg/(m²·h),渗透侧水含量保持在99.90%左右。     

基于MXene中间层的复合纳滤膜制备及其盐水分离性能研究

通过湿法化学刻蚀得到单层MXene纳米片后，采用旋涂法将MXene纳米片负载至基膜上作为中间层制备聚酰胺复合纳滤膜，并探讨了MXene不同负载浓度对复合纳滤膜通量及盐截留性能的影响。结果表明引入MXene作为中间层，使得圆泡状形貌在所得膜表面形成，当旋涂1 mL浓度为0.1 g/L MXene时，通量为24.2 L/(m²·h)，硫酸钠截留率为97.4%，相比传统膜(通量12.9 L/(m²·h)，硫酸钠截留率96.3%)性能提升明显。随着MXene旋涂负载浓度增加，通量逐渐减小，而硫酸钠截留率则存在先增加后减小再稳定的趋势，截留率最高可达98.8%(通量16.3 L/(m²·h))。     

太阳能光热-光电中空纤维真空膜蒸馏系统理论与实验研究

自主设计并搭建了太阳能光热-光电中空纤维膜蒸馏系统,太阳能光热采用面积1.82 m~2真空管集热系统,光伏发电采用面积1.63 m~2多晶硅电池板。实验方面,研究了不同工况下,热料液在不同流动方式时膜通量的差异;研究了在不同跟踪方式下太阳辐照度对系统性能的影响。结果表明:料液在管程流动的膜通量大于壳程的膜通量,且进口料液温度取50～70℃之间为宜;自动跟踪下膜组件入口温度比非跟踪高2～3℃,可以延长膜蒸馏系统运行时间1～2 h,且在相同的自然环境下,自动跟踪方式最大膜通量8.89 kg/(m~2·h)远高于非跟踪方式时4.26 kg/(m~2·h)。理论方面,分析了以水为工质的中空纤维膜蒸馏的传热和传质过程,建立了传热传质理论计算数学模型;分析了辐照强度、膜表面温差、膜丝内表面传热系数、传热与传质通量的定量关系,计算了膜面温度与理论膜通量,对比了实验值与理论值。系统运行稳定,能量综合利用效率高,性能可靠,为工程应用奠定了理论和实验基础。     

脱乙酰基改性乙酸纤维薄膜对乳化油分离及积垢机理的探究

利用静电纺丝制造乙酸纤维素膜（CA纤维膜）,并利用添加TiO₂及脱乙酰基（d-CA）对CA纤维膜进行改性,后续对膜过滤特性、渗透通量、油水乳化液去除效率、反洗特性及积垢机制进行讨究。结果显示,CA纤维膜通过TiO₂及d-CA改性后可以提高膜的热稳定性及亲水性能,并得到稳定的纯水通量和过滤通量;最佳的比例为TiO₂@d-18.5%CA纤维膜,在40kPa跨膜压差、60min的操作条件下,其纯水通量、过滤通量、1g/L油水乳化液去除效率以及反洗后通量分别为824.8L/(m²·h)、(311.3±12.5)L/(m²·h)、93.6%±1.1%、451.5L/(m²·h);另外,添加TiO₂可能导致油水乳化液在膜表面不可逆阻力比例的增加,脱乙酰基改性CA纤维膜则可以降低膜自身阻力及增加可逆阻力的比例,提高CA纤维膜在油水分离方面的潜力。     

正渗透处理模拟印染废水的性能研究

实验以1 mol/L的NaCl溶液为汲取液,以活性染料印染废水、分散染料印染废水为原料液,探究不同染料类型、膜朝向及温度对正渗透性能的影响,以及不同情况下的膜污染情况。正渗透处理两种染料都有很高的水通量;AL-FS模式初始水通量为14.79 L/(m²·h),COD截留率为98.8%,色度为99.2%。AL-DS模式下分别为17.82L/(m²·h)、93.2%和93.9%;温度由15℃升高到35℃,水通量增加了5.6%,COD截留率降低了1.1%,色度截留率降低了1.2%;超声清洗后AL-FS模式下恢复率为94.3%,AL-DS模式下为91.2%。AL-FS模式优于AL-DS,水通量随温度的升高而升高,膜清洗水通量恢复率较高。     

Forward-osmosis strategy and chemical cleaning of seawater desalination reverse osmosis membranes

In order to settle the membrane fouling of reverse osmosis membranes in seawater desalination process, this study reported a novel strategy based on forward-osmosis process and discussed the effects of different factors like different cleaning combination among reverse osmosis product, simulated reverse osmosis concentrate and simulated seawater, as well as cleaning time on the membrane permeate flux and salt rejection. For irreversible fouling, the effects of different chemical cleaning agents, immersion time and concentration were also investigated in this study. The results exhibited that the cleaning combination between diluted water and simulated reverse osmosis concentrate possessed the best cleaning performance in the process of forward-osmosis cleaning. Such approach also enhanced normalized flux from 9.48 L/(m²·h·MPa) to 13.6 L/(m²·h·MPa) and enhanced NaCl rejection from 80.59% to 92.80%. Furthermore, the normalized flux was enhanced from 9.48 L/(m²·h·MPa) to 14.3 L/(m²·h·MPa) and NaCl rejection was also enhanced from 80.59% to 96.27% after soaking in 2%(mass) citric acid solution for 2h, soaking with 1%(mass) ethylenediamine tetra-acetic acid tetrasodium salt and 0.3%(mass) sodium tripolyphosphate solution for 1.5 h. According to the result of SEM images and AFM images, the forward-osmosis cleaning strategy could not cause the damage of selective layer of membrane surface and caused the drop of inorganic and organic fouling on the membrane surface. Hence, cleaning fouled RO membranes by such approach could prolong the chemical cleaning cycle and reduce the amount of chemical cleaning agent, which has certain industrial application perspectives.     

正渗透策略和化学清洗海水淡化反渗透膜

为解决海水淡化过程中反渗透膜的污染问题,研究了基于正渗透策略的反渗透产水、模拟反渗透浓水、模拟海水不同的组合清洗和清洗时间对膜通量和截留率的影响。针对不可逆污染,研究了不同化学清洗药剂、浸泡时间、浓度对膜通量和截留率的影响。结果表明,正渗透策略清洗方式中,淡水/模拟反渗透浓水的组合清洗方式效果最佳,其归一化通量从9.48 L/(m²·h·MPa)提升至13.6 L/(m²·h·MPa),截留率从80.59%提升至92.80%。此外,经质量分数为2%的柠檬酸溶液浸泡2 h后,再使用质量分数为1%的乙二胺四乙酸四钠盐和0.3%的三聚磷酸钠溶液浸泡1.5 h,其归一化通量从9.48 L/(m²·h·MPa)提升至14.3 L/(m²·h·MPa),截留率从80.59%提升至96.27%。从SEM和AFM图可以看出,正渗透清洗策略并未对膜表面选择层造成损坏,且可以清洗膜表面的有机污染物和无机污染物,因此,应用这种方法对污染的反渗透膜进行清洗,可延长化学清洗周期,减少化学清洗剂用量,具有一定的工业应用前景。     

二苯并-18-冠醚-6/聚醚嵌段酰胺膜富集水中苯酚性能研究

为提高聚醚嵌段酰胺 （PEBA）膜对水中苯酚的选择分离性能,采用二苯并-18-冠醚-6 (CE) 对PEBA膜进行改性制备了PEBA/CE渗透蒸发膜。通过FT-IR、SEM表征证实了CE与PEBA紧密结合且CE均匀分布在膜表面;AFM表征表明CE的修饰有效地提高了膜表面与苯酚的接触面积;水接触角测试表明CE的修饰极大地提高了PEBA/CE膜的疏水性。同时系统地研究了膜中CE含量、原料液苯酚浓度、进料温度对膜渗透汽化性能的影响,结果表明CE能显著提高PEBA膜对苯酚的选择性,在料液苯酚为0.8%（质量）及70℃操作温度条件下,当CE 的添加量为PEBA的6%（质量）时,PEBA/CE-6膜的分离因子和渗透通量分别为23.34和494.40 g/(m²·h),远超PEBA膜性能[分离因子8.46,总渗透通量547.48 g/(m²·h)]。长期性能稳定性测试表明所制备PEBA/CE-6膜具有良好稳定性,具有较好的工业运用潜力。     

正渗透膜生物反应器运行过程中溶质反渗对微生物群落的影响

以氯化钠为驱动溶质,采用正渗透膜生物反应器(forward osmosis membrane bioreactor, FOMBR)处理生活污水,考察其在运行过程中溶质反渗对系统内微生物群落造成的影响。稳定运行状态下的第7、14、20天的混合液污泥样品分别称为A1、A2、A3,并对微生物群落物种丰度、群落结构、聚类等进行了分析。结果表明：正渗透膜生物反应器运行20 d内水通量从9.5 L/(m²·h)下降到8.17 L/(m²·h),反向盐通量从29.52 g/(m²·h)增加到35.06 g/(m²·h)。整个运行过程中溶质反渗对微生物群落结构的变化有着一定的影响,3个样品共产生1496个OTUs,各样品间共享的OTUs不尽相同;溶质反渗对3种样品的微生物群落多样性、菌群丰度等影响较小。PCA分析中A2和A3两个样品距离更近,组成更相似,热图聚类分析再次验证A2与A3相似性更高;3个样品斜率较小且非常接近,并且A1和A3两个样品所含物种的丰富程度和均匀程度几乎一样;3个样品的活性污泥群落结构在门、纲、目分类水平上均具有较高的多样性,各分类水平上的菌群丰度存在一定的差异。     

Ultrafiltration membrane cleaning technology and mechanism based on seawater desalination pilot equipment

In order to clean the ultrafiltration membrane in the process of seawater desalination, this paper studied the cleaning effects of backwash water and chemical agents on the ultrafiltration membrane by using the ultrafiltration pilot equipment. Effects of different backwash water on the transmembrane pressure difference were studied. The results showed that the cleaning effect was in the order of fresh water (tap water) > ultrafiltration water > reverse osmosis concentrated water. In addition, cleaning effect was as follows: citric acid > oxalate > hydrochloric acid > sodium hypochlorite > sodium hydroxide. Citric acid had the best cleaning effect, and the pure water penetration rate could be restored from 283.24 L/(m²·h) to 571.56 L/(m²·h). Moreover, the effect of alkali washing and acid washing together is better than that of cleaning alone. After cleaning with sodium hydroxide and then citric acid, the pure water transmission rate can recover from 283.24 L/(m²·h) to 818.81 L/(m²·h). The results of this study have a good application prospect for the maintenance of ultrafiltration membrane in seawater desalination.     

基于海水淡化中试的超滤膜清洗工艺及机理

为了对海水淡化过程中的超滤膜进行清洗,利用超滤中试设备研究了反洗水和清洗药剂对超滤膜清洗的效果。分别研究了不同的反洗用水对于跨膜压差的影响,结果表明,清洗效果：淡水（自来水）>超滤产水>反渗透浓水。另选用不同的酸性清洗剂与碱性清洗剂进行清洗,结果表明,清洗效果：柠檬酸>草酸>盐酸>次氯酸钠>氢氧化钠,柠檬酸清洗效果最好,纯水透过速率可从283.24 L/(m²·h)恢复至571.56 L/(m²·h)。此外,实验证明碱洗+酸洗效果优于单独清洗效果,先用氢氧化钠清洗,再用柠檬酸清洗,纯水透过速率可从283.24 L/(m²·h)恢复至818.81 L/(m²·h)。本研究成果对于海水淡化过程中超滤膜的维护具有较好的应用前景。     

有机溶剂纳滤膜的润湿性对渗透和分离性能的影响

有机溶剂纳滤是一种绿色、高效、节能的新型膜分离技术,在回收和处理有机溶剂中具有广泛的应用前景。本文采用浸渍法分别将聚合物聚二甲基硅氧烷（PDMS）、嵌段聚醚酰胺（PEBAX2533）和聚乙烯醇（PVA）与聚砜（PS）超滤基膜复合,制备了3种不同润湿性的聚合物耐溶剂纳滤膜,研究了PDMS/PS、PEBAX/PS和PVA/PS复合膜对甲醇、乙醇、异丙醇、正己烷、正庚烷的渗透性能,考察了3种聚合物膜对伊文思蓝/甲醇溶液的有机溶剂纳滤性能。结果表明,有机溶剂在不同润湿性复合膜的渗透和传递性能与溶剂本身的溶度参数、分子量、黏度和极性等有很密切的相关性,溶剂的分子量、黏度、分子动力学直径越小,在同一极性复合膜中渗透通量越大;对伊文思蓝/甲醇溶液的有机溶剂纳滤分离表明,PDMS/PS和PEBAX/PS复合膜的截留率均可达90%以上,通量分别为 58.0L/(m²·h·MPa)和72.2L/(m²·h·MPa);PVA/PS复合膜的截留率为85.1%左右,通量为57.5L/(m²·h·MPa)。