两亲性聚合物沉积法聚四氟乙烯中空纤维膜的亲水改性研究

以具有两亲结构的两亲性聚合物脂肪醇聚氧乙烯醚，通过回旋振荡涂覆法对疏水的聚四氟乙烯(PTFE)中空纤维膜改性处理制备亲水性聚四氟乙烯膜，在膜表面形成亲水沉积层，并研究了两亲性聚合物浓度、涂覆时间、热处理时间和热处理温度对PTFE中空纤维膜亲水性能的影响。结果表明，两亲性聚合物浓度为5%,涂覆时间2 h,热处理时间和温度分别为16 h和40℃条件下制备的聚四氟乙烯中空纤维膜，纯水通量可达2 482 L/(m²·h)。     

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。     

真空膜蒸馏分离乙醇溶液试验研究

采用真空膜蒸馏装置处理乙醇溶液,探究采用真空膜蒸馏浓缩高浓度乙醇溶液时的膜蒸馏效能及可行性,考察进料温度、进料乙醇浓度等因素对膜蒸馏效能的影响。结果表明,温度能显著提高膜通量,当温度从50℃上升至75℃时,膜通量从3.90 kg/(m²·h)增加至19.90 kg/(m²·h),乙醇通量从1.84 kg/(m²·h)增加到9.17 kg/(m²·h);随着进料乙醇浓度的增加,膜通量与乙醇通量均升高。在浓缩时间为2.0～2.5 h时,高浓度乙醇溶液的膜蒸馏浓缩分离过程运行稳定,在浓缩时间超过2.5 h后,出水通量有增加的趋势,出水乙醇质量分数和分离比有下降的趋势,且膜面上出现浸润点,经试验分析可知膜发生浸润现象是由于管道和膜组件的材质在高温、高浓度下的乙醇溶液中不稳定所致,后续可应用其他材质的膜组件以及耐高温的新型膜材料进行处理。     

聚四氟乙烯中空纤维膜的亲水改性及稳定性能

针对聚四氟乙烯(PTFE)的疏水问题,采用两亲性聚合物亲水剂对PTFE中空纤维膜进行亲水改性。两亲性聚合物可能通过疏水链与聚四氟乙烯的原纤及节点发生缠结进而固定在PTFE膜上。研究发现,两亲性聚合物在不影响PTFE中空纤维膜结构的基础上成功地覆盖在PTFE中空纤维膜表面。亲水改性聚四氟乙烯膜(M-PTFE)的水通量随压力的增加而增加,在高压(100 kPa)和负压(-20 kPa)长时间的运行条件下也能保持4 674 L/(m²·h)和1 960 L/(m²·h)的数值。两亲性聚合物改性剂在PTFE膜表面的稳定性为改性PTFE膜稳定的大水通量提拱了理论基础,也为PTFE中空纤维膜在水处理领域的应用提供了有利的技术支撑。     

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。     

冷拉伸对聚丙烯中空纤维膜结构与性能的影响

采用热致相分离法(TIPS)结合冷拉伸制备不同拉伸比例的聚丙烯中空纤维膜(PPHFM),结合拉伸模型与力学性能测试分析拉伸比例对PPHFM宏观结构与力学性能的影响;采用SEM、孔隙率测试等表征不同拉伸比例PPHFM的微观结构;测试PPHFM的纯水通量和抗污染性能,考察拉伸比例对膜性能的影响。结果表明:随着拉伸比例的增大,PPHFM内外径减小,拉伸强度增大,最高提高200%。同时,内外皮层破裂形成大量微孔使膜孔隙率增加,对应膜的纯水通量大幅增加,最高达136.9 L/(m~2·h)。此外,PPHFM外皮层结构撕裂形成的微孔有利于牛血清白蛋白(BSA)的附着,导致膜抗污染性能降低。     

功能化碳纳米管/SMANa/聚醚砜导电分离膜的制备及性能

为改善聚醚砜(PES)导电分离膜的相容性和分离性能,将碱处理的苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMANa)和功能化碳纳米管按照不同质量比与PES共混,使用非溶剂诱导相分离法成功制备功能化碳纳米管/SMANa/聚醚砜导电分离膜,对分离膜的结构、形貌和分离性能进行测试。结果表明：通过碱处理苯乙烯-马来酸酐共聚物,成功制备具有良好分散性的SMANa。当功能化碳纳米管添加量为6 g时,导电分离膜的电阻率达到2.929 97×10⁴Ω·cm,纯水渗透通量达到1 188.1 L/(m²·h),而对牛血清蛋白(BSA)的截留率为91.46%。在通入30 V电压后,导电分离膜对刚果红、甲基蓝染料渗透通量分别达到584 L/(m²·h)和480 L/(m²·h),截留率均达到99.99%。     

稀释剂极性对TIPS法制备聚丙烯中空纤维膜的影响

以聚丙烯(PP)为原料,以极性低和极性高的两种溶剂作为复配稀释剂,用热致相分离法(TIPS)制备PP中空纤维膜,利用称重法计算孔隙率,利用自制通量装置测试气通量。结果表明,稀释剂极性对膜结构和性能影响较大,极性高的溶剂含量为6.67份时,孔隙率和气通量最大,分别为78.29%和211.2 m3/(m2?h)。用扫描电镜对膜的形貌结构进行了研究,讨论了膜的力学性能。     

壳聚糖/聚乳酸复合膜的制备及其吸附性能

为了减小水处理废弃膜对环境的危害，以静电纺聚乳酸(PLA)纤维膜为基底层，采用浸涂的方式将壳聚糖(CS)涂覆层与PLA基底层复合形成了CS/PLA复合膜。采用SEM、XRD对其进行了表征。考察了CS与PLA体积比对膜性能的影响。结果发现，当CS和PLA体积比为7∶5时，CS涂覆层表面致密且平整，其厚度为7μm,CS/PLA复合膜的拉伸强度为2.55 MPa，断裂伸长率为24.96%，纯水通量为115.32 L/(m²·h)，对酸性染料的渗透通量为99.43 L/(m²·h)，吸附率达96%；对牛血清蛋白和卵清蛋白的吸附率分别为86%和84%；对Cu²⁺、Pb²⁺和Cd²⁺的平衡吸附量分别为165.00、248.54和307.83 mg/g。     

聚丙烯非织造布表面的紫外光固化改性

为了改善聚丙烯(PP)非织造布的亲水性能，提高水通量，通过照射紫外光(UV)引发自由基聚合法，使丙烯酸树脂与HEMA在PP非织造布表面发生交联聚合反应，进行紫外光固化亲水改性。研究了亲水单体和光引发剂的浓度以及紫外光照射时间对聚丙烯非织造布亲水性能的影响。利用红外光谱和扫描电镜对改性PP非织造布表面的化学组成和形貌结构进行表征，通过接触角和水通量分析了改性后PP非织造布的亲水性和耐久性。结果表明，当丙烯酸树脂与HEMA的质量比为2∶1、固含量占亲水改性溶液总量的20%、光引发剂184的含量为2%、光照时间为15 s时，达到改性后PP非织造布的最优亲水性能，接触角由初始的126°下降至42°,水通量由5 543 L/(m²·h)提升至6 035 L/(m²·h),并且，具有良好的耐久性。     

低截留分子量聚醚砜超滤膜

以聚醚砜(PES)为原料，均苯三甲酸(TMA)为添加剂，采用浸没沉淀相转化法制备聚醚砜超滤基膜，之后将聚乙烯醇(PVA)溶液涂覆在膜表面，经加热交联得到低截留分子量超滤膜。实验结果表明，随着聚乙烯醇浓度升高，截留分子量先减小再增加；随着热处理温度的升高，水通量减少，截留分子量减小。聚乙烯醇质量浓度为0.1%，80℃加热10 min，膜的截留分子量为900，纯水通量为6.10 L/(m²·h)。红外光谱分析证实PVA与TMA反应生成了交联结构。     

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。     

多巴胺及环氧丙醇改性PP中空纤维膜的制备及抗污染性能研究

利用多巴胺(DA)的氧化自聚合在聚丙烯(PP)中空纤维膜表面沉积一层聚多巴胺薄层(PDA),制备了PP-PDA膜,再经过聚多巴胺中氨基与环氧丙醇(GD)的开环反应对膜进行进一步表面修饰,制备了多羟基改性PP中空纤维复合膜(PP-GD膜)。采用傅里叶变换红外光谱及扫描电子显微镜表征了膜的化学结构及表面性能;通过对牛血清白蛋白(BSA)的抗污染测试研究了原膜及改性膜的抗污染性能及纯水恢复性能。结果表明,成功制备了多巴胺及环氧丙醇改性的PP中空纤维复合膜,改性膜的表面变得更为致密和光滑;在BSA质量浓度为1g/L时,PP原膜、PP-DA膜、PP-GD膜的稳定通量分别为15.3、18.7、22.1L/(m~2·h);膜清洗测试显示,PP-GD膜的通量恢复率最高,达到90.6%,说明多巴胺及环氧丙醇改性能够有效增加PP膜的亲水性能及抗污染性能。     

UHMWPE/EVA中空纤维膜的制备及性能研究

通过在超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纺丝液中添加不同含量的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA),采用热致相分离法制备了UHMWPE/EVA中空纤维膜,实现对UHMWPE中空纤维膜的亲水改性,并通过扫描电子显微镜、接触角测量仪、差示扫描量热仪、万能材料试验机等对中空纤维膜的结构与性能进行了表征,采用自制UHMWPE/EVA中空纤维膜过滤装置对中空纤维膜的过滤性能及防污性能进行了评价。结果表明:随着EVA含量的增加,UHMWPE/EVA中空纤维膜的断面结构变得致密,熔点及结晶度下降,接触角减小,亲水性提高,但其拉伸强度有所下降;随着EVA含量的增加,UHMWPE/EVA中空纤维膜的孔隙率增大,但随着EVA添加质量分数(相对UHMWPE质量)进一步增大到20%,孔隙率则随之下降;当加入EVA质量分数(相对UHMWPE质量)15%时,UHMWPE/EVA中空纤维膜的纯水通量和截留率以及水通量回复率均达到最大值,即其纯水通量为435.77 L/m~2·h,对牛血清蛋白及碳素墨水的截留率分别为68.5%和93.95%,水通量回复率达94.66%;UHMWPE/EVA中空纤维膜中,EVA的最佳添加量其质量分数(相对UHMWPE质量)为15%。     

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。     

亲水改性聚丙烯分离膜应用性能研究

采用经过共混改性和嵌入-包埋改性2种亲水改性方法处理的聚丙烯(PP)分离膜进行性能研究。共混改性和嵌入包埋二次改性PP中空纤维膜在废水处理中均能稳定运行。研究表明,经过2种不同方法改性的PP中空纤维膜在-40 kPa下稳定运行通量分别为11.2、17.3 L/(m~2·h)。     

基于响应面法光热-光电膜蒸馏系统优化研究

设计并搭建了太阳能光热-光电方腔型膜蒸馏系统,为研究该系统机理与优化问题,首先以料液进口温度、流量、太阳辐照度为影响因子,膜通量、能耗为响应值,采用响应面法分析各影响因子与响应值间的关系;其次结合中心复合设计法设计实验工况,建立响应值与影响因子的二次多项式回归模型,通过方差分析、实验验证对所建立的模型进行可靠性分析;最后对响应值进行响应面分析与系统优化,获得了系统最佳运行工况和最优膜通量、能耗值,并进行了实验验证。结果表明,系统最佳工况为：料液进口温度为63℃,料液进口流量为232 L/h,太阳辐照度为700 W/m²,在此工况下实际膜通量达到7.28 L/(m²·h),高于预测值6.39 L/(m²·h),两者误差为12.23%,对应的能耗值为10.40 L/(kW·h)。     

聚丙烯硬弹性膜的挤出流延工艺及拉伸成孔性

以某进口均聚聚丙烯(PP)(PP1)为原料,通过挤出流延工艺制备了PP1硬弹性膜并在130℃下对其进行热处理,研究了挤出温度、流延辊转速及温度、热处理温度和时间等工艺参数对PP1硬弹性膜弹性回复率的影响,得到了最佳工艺条件,即挤出温度为195℃、流延辊温度及转速分别为90℃,26 r/min,热处理温度和时间分别为145℃,30 min。将该工艺应用于分子量及其分布与PP1基本相似的国产PP(PP2),发现由此工艺制备的PP2硬弹性膜的弹性回复率可达94.6%,与PP1硬弹性膜相差不大。通过冷热单向拉伸将PP1和PP2硬弹性膜制备成微孔膜,发现两者具有相似且优异的微孔结构。在此基础上,通过扫描电子显微镜研究了冷热拉伸工艺参数对PP2微孔膜拉伸成孔性的影响。结果表明,当冷拉伸倍数为15%,热拉伸倍数为100%,冷热拉伸速率均为50 mm/min时,制备的PP2微孔膜形成了完整规则的多孔结构。     

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。     

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。