亲水/疏水复合膜强化膜蒸馏深度处理工业废水的研究进展

工业废水中通常含有多种疏水性有机污染物及表面活性剂,传统疏水微孔膜用于膜蒸馏处理工业废水的过程中,这些污染物容易沉积在膜表面引发膜污染和膜润湿,导致膜蒸馏过程的低效甚至失败。亲水/疏水复合膜是一种表层亲水而底层疏水的非对称膜材料,可通过在膜表面形成水合层减缓污染物的吸附累积,同时保留疏水基底膜对污染物的高截留率,用于膜蒸馏过程可有效强化其处理复杂工业废水的效果。本文概述了构筑亲水/疏水复合膜的仿生学原理与表面润湿理论,介绍了复合膜常用的制备方法,重点分析了多种亲水材料改性制备的复合膜用于膜蒸馏深度处理工业废水的强化效果及强化机制,认为复合膜表面形成的亲水层可有效抑制工业废水中疏水性污染物与膜表面的疏水-疏水相互作用,减轻膜污染及膜润湿倾向,提高污染物截留效率,而氧化石墨烯等亲水物质可加速水分子通过,提升膜蒸馏产水通量。最后指出未来亲水/疏水复合膜的发展可以通过建立污染物在复合膜中的传递模型,进一步探究复合膜对工业废水处理过程的强化机制,通过优化调控复合膜结构,提升复合膜对工业废水中多种污染物的截留率和抗污染性能,实现膜蒸馏抗污染性、截留率和产水通量的同步提升,并通过开展中试研究验证复合膜用于工业废水深度处理的经济性和长期稳定性。     

膜蒸馏用疏水性微孔膜研究进展

从膜蒸馏传质传热方面分析了疏水性微孔膜的最佳性能参数,叙述了近年来适用于膜蒸馏过程的膜材料、制备方法以及超疏水改性方法,分析了不同构型的膜组件优缺点、膜组件内部结构对膜蒸馏性能的影响和一些新膜组件设计形式,介绍了膜蒸馏过程中的难点:膜污染和膜润湿;分析了膜污染和膜润湿的类型和原因和膜污染和膜润湿检测方法,并归纳了常见的预防和恢复措施,探讨了膜蒸馏技术的应用前景和研究发展方向,主要有膜蒸馏过程中膜污染和润湿机理的研究、抗污染润湿膜的开发及其工业化应用、膜蒸馏商用膜组件的设计及优化等。     

膜蒸馏脱盐过程膜润湿的研究进展

膜蒸馏（MD）适合在偏远地区小规模制备淡水,有脱盐率高、接近常压操作、可利用太阳能等优势。但MD膜润湿影响了装置的运行稳定性,是制约MD脱盐应用的重要因素之一。本文介绍了MD膜润湿的评价方法,包括测定透水压力、临界膜孔润湿深度及可视化在线监测膜润湿进程等;简述了膜污染、MD操作变量、膜蒸馏形式及不同结垢晶体各因素对膜润湿的影响;从防垢和强化通量、掌握合适的膜清洗周期、物理干预及提升MD膜性能等方面分析了抑制膜润湿的措施;并分析了一些脱盐实验时间较长的MD膜润湿情况;指出具有自清洁性的光催化膜及防垢性能更强的双疏膜和Janus膜,具有抑制MD膜润湿的巨大潜力。本文有助于对脱盐过程中MD膜润湿的预测和有效控制。     

十二烷基硫酸钠对膜蒸馏过程影响

膜蒸馏具有较低的操作压力、操作温度以及运行成本等优点，因此在水处理方面有广泛的应用前景。但是膜蒸馏过程中的膜润湿和膜污染现象仍然是阻碍其工业化应用的主要问题。表面活性剂作为一种能显著降低溶液表面张力、改变进料液性质的物质，对膜蒸馏造成的影响值得被研究。基于此，研究了在直接接触式膜蒸馏（DCMD）过程中表面活性剂对不同商业微孔疏水膜造成的影响，选用了一种常见的阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)进行实验。结果表明，进料液中SDS浓度的上升会引起更为严重的膜润湿现象，并且所使用的三种商业膜中，双疏膜抗润湿性最强，而PVDF膜最弱。而当Ca²⁺大量存在于进料液中时，Ca²⁺与SDS的聚集降低了膜润湿的程度但其在膜表面的沉积造成了严重的膜污染。界面相互作用自由能的计算结果表明Ca²⁺/SDS与PVDF膜之间的吸引力最大、PTFE膜其次、双疏膜最小，这一结果与膜蒸馏过程中通量变化情况相符。     

疏水石墨烯膜的制备及其用于膜蒸馏脱盐的研究进展

膜蒸馏技术由于理论截盐率高、操作条件温和及对盐浓度灵敏度低等优势，在脱盐领域中展现出巨大潜力。近年来，人们开始关注石墨烯材料在膜蒸馏脱盐领域中的应用。本文首先概述膜蒸馏技术的基本原理及常用膜材料；接着介绍石墨烯的疏水性质和疏水石墨烯膜的制备；再详细综述石墨烯混合基质膜、石墨烯复合膜及石墨烯纯膜这三类疏水石墨烯膜在膜蒸馏脱盐中的应用；最后总结疏水石墨烯用于膜蒸馏脱盐面临的主要挑战及未来研究方向。     

PVDF/PEI-EDA亲疏水复合膜的制备及其抗污染性能

为解决疏水性污染物对膜的污染问题,利用静电纺丝的方法制备了具有抗污染性能的聚偏氟乙烯/聚醚酰亚胺-乙二胺(PVDF/PEI-EDA)亲疏水复合膜,对其进行了表征;以含疏水性污染物(油污)的Na Cl水溶液作为进料溶液进行了直接接触式膜蒸馏脱盐和抗污染实验,并与商业的PVDF疏水膜进行了对比。结果表明,复合膜厚度为340μm,平均孔径0.677μm,孔隙率72.4%;膜表面呈纳米纤维状,具有明显的酰胺基团,膜表面在空气中水接触角为5.6°,在水相中的油接触角为143°。复合膜蒸馏运行稳定,脱盐、抗污染膜蒸馏平均通量分别为5.5、4 kg/(m~2·h),可以有效的防止疏水性污染物(油污)的污染。而商业的PVDF疏水膜膜蒸馏过程不能维持稳定运行。     

十二烷基硫酸钠对膜蒸馏过程影响

膜蒸馏具有较低的操作压力、操作温度以及运行成本等优点,因此在水处理方面有广泛的应用前景。但是膜蒸馏过程中的膜润湿和膜污染现象仍然是阻碍其工业化应用的主要问题。表面活性剂作为一种能显著降低溶液表面张力、改变进料液性质的物质,对膜蒸馏造成的影响值得被研究。基于此,研究了在直接接触式膜蒸馏(DCMD)过程中表面活性剂对不同商业微孔疏水膜造成的影响,选用了一种常见的阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)进行实验。结果表明,进料液中SDS浓度的上升会引起更为严重的膜润湿现象,并且所使用的三种商业膜中,双疏膜抗润湿性最强,而PVDF膜最弱。而当Ca~(2+)大量存在于进料液中时,Ca~(2+)与SDS的聚集降低了膜润湿的程度但其在膜表面的沉积造成了严重的膜污染。界面相互作用自由能的计算结果表明Ca~(2+)/SDS与PVDF膜之间的吸引力最大、PTFE膜其次、双疏膜最小,这一结果与膜蒸馏过程中通量变化情况相符。     

抗润湿GO复合膜的制备及其在印染废水膜蒸馏处理中的应用

膜蒸馏技术在工业废水处理中具有一定的应用潜力和优势,然而膜污染和膜润湿问题严重阻碍其产业化发展。将氧化石墨烯（GO）和聚乙烯亚胺（PEI）通过真空抽滤的方法沉积到疏水性聚偏氟乙烯（PVDF）膜表面,制备了表面亲水、基底疏水的膜蒸馏用GO复合膜（PVDF-GO/PEI）,对膜表面微观结构进行表征,并将其应用于直接接触膜蒸馏对印染废水的处理中,对膜蒸馏过程中膜的抗润湿性及抗污染性能进行了研究。结果表明,GO层明显提高了膜表面亲水性,且对渗透通量影响较小。PVDF-GO/PEI复合膜对于印染废水中的污染物具有较高的截留性能,有机物截留率99.7%,色度可被完全去除。同时,对比原PVDF膜和PVDF-GO膜,PVDF-GO/PEI复合膜表现出稳定的渗透通量,且具有更好的抗润湿性能。分析表明,PVDF-GO/PEI复合膜优异的截留和抗润湿性能归因于膜亲水性的增强和其稳定的二维结构。     

疏水微孔膜的制备与改性

膜蒸馏是一种新兴高效的膜分离技术,具有重要的应用前景。膜蒸馏中所用的膜是多孔的和不被料液润湿的疏水膜。分离膜的制备是应用这一技术的关键。文章对膜蒸馏过程及疏水性微孔膜做了介绍。进一步综述了疏水性微孔膜的制备,成膜方法和膜的改性,最后对膜蒸馏在不同领域中的应用趋势作了分析。     

PVDF膜的应用与污染改性分析

PVDF膜因其优异的热稳定性和稳定的成膜性能逐渐成为一种流行的分离技术,被广泛应用于科学研究和工业生产。目前PVDF膜主要应用于污染物处理、气体回收与剥离、离子交换与生物乙醇回收等领域,并表现出良好的分离性能。然而,PVDF膜在应用过程中出现的膜污染和润湿问题限制了其进一步发展。本文首先概述了近年来PVDF膜的应用现状,随后分析了出现膜污染和润湿的原因,并针对上述两种问题介绍了改善方法,包括亲水改性和疏水改性。最后,讨论总结了PVDF膜未来的研究方向,并对未来膜改性和实际应用前景作展望。     

腐殖酸聚集体对膜蒸馏过程膜污染的作用机理

膜污染是膜蒸馏过程应用于工业水处理中遇到的主要问题之一。选取水体中具有代表性的有机物（腐殖酸）、微溶无机盐（碳酸钙）作为典型污染物,研究有机腐殖酸聚集体对于膜蒸馏过程膜污染进程的影响规律,探讨天然有机物-无机微溶盐混合水体中腐殖酸聚集体对于无机盐结晶过程的控制机理。结果表明：膜蒸馏通量的衰减大致可分为由滤饼层的形成造成的不可恢复部分以及由浓差极化、膜孔“半润湿”而造成的可部分恢复的通量降低。Ca²⁺通过加速腐殖酸分子的聚集过程,使表面负电性降低的腐殖酸聚集体率先吸附在聚偏氟乙烯中空纤维膜内表面,形成有机基质污染层;碳酸钙在有机腐殖酸聚集体的诱导下在膜内表面异相成核,最终成长为稳定的晶体。腐殖酸聚集体为无机盐晶体在疏水性膜内表面的生长提供了异相成核的基础。可通过控制污染水体中有机物的含量控制微溶碳酸钙在膜内表面成核及生长,实现控制其在膜内表面附着进而诱发疏水膜发生亲水化的过程。     

A review of nanoparticle-enhanced membrane distillation membranes: membrane synthesis and applications in water treatment

Membrane distillation (MD) is a thermally driven process that uses low-grade energy to operate and has been extensively explored as an alternative cost-effective and efficient water treatment process compared to conventional membrane processes. MD membranes are synthesized from hydrophobic polymers, e.g. polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE) or polypropylene (PP), using various methods including phase inversion and electrospinning techniques. Recent literature on MD membranes clearly shows their important role in surface water/wastewater treatment and seawater desalination. Modification of MD membranes with nanoscale materials significantly improves their performance, preventing wetting and fouling. This review presents a critical assessment of the progress on the use of nanomaterials for the modification of MD membranes. The techniques commonly used to synthesize MD membranes, the modifications that have been adopted for the incorporation of nanomaterials onto membranes, and the unique properties these nanomaterials impart on the membranes are discussed. The use of modified membranes in different MD configurations and their application in groundwater, surface water, wastewater, brackish water and seawater treatment is reviewed. Finally, cost implications, commercial viability, environmental sustainability, and future prospects of MD are also discussed to elucidate promising approaches for a future and successful implementation of MD at an industrial scale. © 2019 Society of Chemical Industry     

Innovative hydrophobic/hydrophilic perfluoropolyether (PFPE)/polyvinylidene fluoride (PVDF) composite membrane for vacuum membrane distillation

Though membrane distillation (MD) has gained more and more attention in the field of desalination, the wetting phenomenon was still a non-negligible problem. In this work, a method combined dip-coating and UV in situ polymerization for preparing hydrophobic/hydrophilic perfluoropolyether (PFPE)/polyvinylidene fluoride composite membranes. This composite membrane consisted of a top thin hydrophobic coating layer and hydrophilic substrate membrane. In terms of anti-wetting properties, contact angle and liquid entry pressure of all composite membranes (except for those based on 0.45 μm) exceeded 160° and 0.3 MPa, respectively. In particular, the desalination performance was tested in vacuum membrane distillation tests by feeding 3.5% (mass) saline solution (NaCl) at 60 ℃. The composite membranes with larger support pore size and lower PFPE content had higher membrane distillation flux. And for stability tests (testing the 0.22 μm membrane coated by 5% (mass) PFPE), the highest MD flux 29.08 kg·m^-2·h^-1 and stable salt rejection (over 99.99%) during the period. Except that, the effects of coating material concentration and pore sizes of substrate membrane were also investigated for surface morphology and topography, porosity, mechanical strength and pore size characteristics. This work provided a simple and effective alternative to prepare excellent hydrophobic composite membranes for MD applications.     

阴离子交换膜改性及抗污染性能研究进展

电渗析技术应用于工业废水脱盐时,废水中有机物及其它杂质组分等会造成膜污染,进而影响脱盐性能。电渗析膜污染防治对促进电渗析在工业废水处理中的应用有重要意义。相比于阳离子交换膜,阴离子交换膜更易形成有机污染,且更严重。阴离子交换膜污染主要由腐殖酸、牛血清蛋白、阴离子表面活性剂等有机物造成,污染过程主要受静电作用、亲和作用和几何因素的影响。膜改性提高阴离子交换膜的抗污染性能是电渗析膜污染防治的有效方法,目前已有许多有关膜改性提高阴离子交换膜抗污染性能的报道。膜改性方法主要有化学改性法、等离子体改性法、表面涂覆改性法、电沉积改性法、自聚合改性法及改进基膜结构法等。本工作对阴离子交换膜改性及抗污染性能的研究进展进行了综述,对不同改性方法的优缺点进行了分析和评价。这些改性方法能提高阴膜表面的负电荷密度和亲水性、降低膜表面粗糙度和基膜含水率等,因此可以改善阴离子交换膜的抗污染性能。然而,目前研究获得的改性阴离子交换膜仍存在修饰层不稳定、抗污染性能不理想和性能测试不系统等缺点,需进一步优化改性方法、改性工艺、组分修饰及性能测试等,以获得抗污染性能稳定且效果良好的改性阴离子交换膜。     

水处理中超滤膜污染及其应对方式研究进展

对超滤膜污染以及缓解膜污染的主要方法进行了综述,介绍了污染原因、主要污染物质、污染类型,叙述了膜前预处理、膜清洗、膜改性等当下为应对膜污染所采用的主要方法和紫外、外加磁场、电场等膜污染控制新方法,总结了从源头上控制膜污染的探索方向,认为超滤技术要在运行方式和工艺设计上做出更合适的选择,未来将向着低能耗、低药耗、自动化和...     

焦耳效应强化气隙式膜蒸馏脱盐过程的实验研究

以膜蒸馏海水淡化为背景,通过对自制导电炭膜通入直流电产生焦耳效应,开展焦耳效应强化膜蒸馏氯化钠水溶液脱盐过程实验研究。结果表明,制备的煤基炭膜在100℃内具有良好的结构稳定性;在实验范围内,炭膜对氯化钠的截留率在99.96%以上;焦耳效应对膜蒸馏渗透通量的提高率最高可达60%,且低温时焦耳效应对膜蒸馏的强化效果更好、电转换效率更高;引入的焦耳热除用于水分汽化外,还可提高料液温度、改善温度极化、增加传质推动力;焦耳效应同时对膜蒸馏过程传质系数产生影响,在进料温度为50~80℃时,受努森扩散和分子扩散影响,电流为1A时传质系数值将减小,电流为3A和5A时传质系数值将增大;膜蒸馏过程引入焦耳效应不会产生氧化还原反应和额外膜结垢;在炭膜中引入电流不会破坏炭膜及其表面PDMS层的结构。本文研究内容丰富了膜蒸馏海水淡化过程的强化方法,也可为焦耳效应影响膜蒸馏过程的模拟研究及工业应用提供依据。