疏水膜、疏水性能评价及其自发脱水干燥

介绍了多孔疏水膜的定义、临界润湿值的概念、疏水膜的透水压力值和临界润湿值测试方法。区别于通常的外力加热等方法,介绍了利用疏水膜材料自身特性来实现疏水膜干燥的两种疏水膜自脱水干燥的方法.一种方法是控制膜污染润湿进程,当膜孔被润湿的深度小于该疏水膜材料的临界润湿值时,通过膜清洗实现疏水膜的自发脱水干燥.另一种方法是构建亲疏水双层复合疏水膜,当膜运行至产水电导率明显上升时,停机清洗,利用亲水材料与水之间的吸引力大于疏水材料与水之间的吸引力的特性使疏水膜孔自发脱水干燥.     

膜蒸馏用PDMS/PVDF中空纤维疏水膜的研制

膜表面的疏水化是减缓膜蒸馏过程中膜润湿问题的有效策略.采用表面涂覆-固化法,利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、交联剂甲基三乙氧基硅烷(MTES)和催化剂二月桂酸二丁基锡(DBTL)在膜表面的反应,形成致密的甲基嵌段PDMS-MTES疏水层,制备了PVDF/PDMS疏水复合膜.探究了PDMS/MTES/DBTL质量比、PDMS质量分数和涂覆时间等对复合膜结构与性能的影响.利用该方法,复合膜接触角达到130°,膜的疏水性和膜蒸馏过程中的抗润湿能力得到显著提升.该膜在360 min的表面活性剂溶液膜蒸馏实验中性能稳定,而未改性膜在30 min内即完全亲水化.     

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.     

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%.     

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.     

微孔膜的可压缩性及参数变化对膜蒸馏跨膜传质速率的影响

针对两种聚四氟乙烯膜在膜两侧压差为10～100kPa范围内进行了气体渗透实验,结果表明：实验用膜具有一定的可压缩性,随膜两侧压差的增大,膜孔径r减小,而膜孔隙率与有效厚度的比值ε／τδ是增大的,且其变化幅度随膜厚度的增大而增大,通过求解数学模型方程得到了不同膜参数时直接接触式膜蒸馏和真空膜蒸馏跨膜传质速率的预测值,与相同条件下的膜蒸馏实验测定的传质速率进行对比,结果表明：由膜的可压缩性带来的膜参数变化能够使跨膜传质速率有所增长,采用相近压差下气体渗透实验测定的膜参数能够较准确地预测膜蒸馏的跨膜传质速率。     

膜蒸馏用中空纤维膜制备技术的研究进展

作为一种热驱动的膜分离技术,膜蒸馏以其较低的操作要求及极高的截留率而成为极具开发潜力的膜分离技术之一。然而,较低的渗透通量和抗润湿性限制了膜蒸馏技术的广泛发展和应用。除了优化设计膜蒸馏工艺,疏水性多孔分离膜的研究成为关键解决途径。具有高比表面积的疏水性中空纤维膜以其自支撑结构及其组件的设计灵活性而成为膜蒸馏技术中应用较广的一种分离膜。文中从中空纤维膜材料的选择和开发、常规和新型纺丝方法及后处理等方面对近些年膜蒸馏用中空纤维膜制备技术进行综述,并对其制备方法中亟待深入研究的内容和应用前景进行了展望。     

低温CF4等离子体改性亲水聚醚砜膜及其在直接接触式膜蒸馏中的应用

膜蒸馏是一种低能耗、高效率的海水淡化技术.文章借鉴了制备压力推动膜材料的思路,采用非对称、孔结构高度连通的亲水聚醚砜膜,通过CF4等离子体表面改性,将亲水膜改性为疏水膜材料,并应用于直接接触式膜蒸馏(DCMD)过程.对膜的结构,接触角和DCMD性能进行了表征.结果显示,改性后PES膜表面水接触角达120°.以4％ NaC1水溶液为原料,膜蒸馏中水通量达44 kg/(m2·h)(盐水温度72.6℃,冷水侧温度15℃),对盐的截留率达99.96％.实验表明,孔连通性较好的小孔径聚醚砜膜具有较好的膜蒸馏性能,可能成为具有商业用途的膜材料.     

膜接触器吸收二氧化碳过程中的膜润湿研究

自制疏水性聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜膜组件,采用二乙醇胺(DEA)溶液为吸收液进行二氧化碳吸收实验,研究了在膜接触器中的微孔膜润湿随操作时间的变化,以及吸收液浓度和温度对膜润湿的影响.实验结果表明,随着吸收过程的进行,膜润湿百分率逐渐增加;膜润湿随着DEA溶液浓度的增大而下降;升高温度促进了微孔膜的润湿.利用微孔膜渗入机理、Fick定律和膜孔径对数分布函数,我们提出了膜吸收过程中膜润湿百分率随时间变化的理论方程,并且对实验数据进行了拟合,得到了较好的拟合效果;同时理论上分析了膜润湿对总传质系数的影响.     

膜蒸馏技术在溶液蓄能中的应用

本文以太阳能热利用和蓄能技术为研究背景,提出了一种基于膜蒸馏的太阳能溶液蓄能模式。采用疏水性聚偏氟乙烯中空纤维膜为膜蒸馏材料,基于膜蒸馏常温操作、小温差大传热面积的特点,利用膜材料微观上的高比表面积和单位体积的高接触面积为载体,选取50%溴化锂溶液为工质,以减压膜蒸馏的方式进行溶液浓缩和潜能存储,浓缩后的溶液可作为吸收式热力系统的工质。为此,针对50%的溴化锂溶液进行了减压膜蒸馏实验,对不同溶液温度、溶液流量在不同真空度下进行减压膜蒸馏实验,得到了3组实验数据。根据实验结果,对膜蒸馏式溶液蓄能系统进行分析,结果表明:蓄能密度可以达到245 kJ/kg,单位面积的膜组件可以产生0.27~0.40 kW的蓄能量,膜蒸馏式溶液蓄能为太阳能利用、吸收式热力系统和蓄能技术提供了一种新的应用方法和途径。     

聚偏氟乙烯中空纤维膜表面疏水化制备方法研究

提出了一种新的多孔膜表面疏水化处理方法,通过超滤操作,使分散液中聚偏氟乙烯(PVDF)颗粒沉积在PVDF中空纤维膜表面,然后进行干燥处理,利用PVDF材料特有的本体粘附效应,得到表面疏水化改性的PVDF膜。通过超声处理改性后的PVDF膜,验证了表面疏水层与基膜的结合稳定性。初步优化了涂覆工艺条件:预洗酒精体积浓度80%;预洗基膜时间120min;涂覆后膜丝干燥时间60min;PVDF颗粒固含量0.099%(质量分数);涂覆压力0.050MPa;涂覆时间30min。涂覆后PVDF中空纤维膜内表面接触角从(83±3)°提高至(144±3)°。涂覆后的膜应用于高污染的发酵液膜蒸馏中,抗亲水化时间从180min延长至380min。     

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.     

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°.     

膜蒸馏过程中的膜污染研究

考察了膜蒸馏用于脱盐时膜的污染情况,分析了不同无机盐对疏水膜的具体影响。未处理的苦咸水含有难溶无机盐,膜蒸馏过程中膜表面会出现沉积物。沉积物会破坏膜的疏水性影响渗透液的质量,同时影响膜蒸馏传递过程,降低渗透通量。在无机盐浓度较低时,通过料液预处理剔除不溶物可以有效防止沉积物的出现。     

面向膜蒸馏的抗润湿、抗污染、抗结垢新型膜研究进展

膜蒸馏(MD)作为一种有前景的高盐废水处理技术而受到广泛关注.然而,由于实际废水成分复杂,MD的实际应用面临膜润湿、膜污染和膜结垢三大关键挑战,易导致膜通量和选择性降低,甚至膜失效.本文首先简述不同种类污染物诱导的膜润湿、污染和结垢的特点及其形成原因.随后,重点介绍了目前抗润湿、抗污染、抗结垢新型膜的研究进展,包括超疏水膜、全疏膜、常规Janus膜和致密Janus膜的设计原则、抗性机理及其适用范围.此外,讨论了通过对进料预处理、操作条件调控的辅助手段以及膜再生来进一步保证MD长期运行的稳定性.     

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。     

膜吸收法处理工业废水过程中PVDF膜及组件优化

以含氨废水为代表,采用实验室自制疏水性微孔聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜组件,通过实验考察了膜吸收工艺用于工业废水处理过程中膜丝及膜组件结构参数对传质效率和污染物去除率的影响。结果表明,膜吸收法去除废水中挥发性污染物效果良好,可以通过减小膜丝壁厚、增大膜丝内径来促进传质;另外,合理设计膜组件的长度和装填密度,可以近乎完全去除废水中的氨(去除率99%),实现废水的达标排放。     

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.     

“共价”型全疏/滑移表面构建及膜蒸馏性能研究

由于孔隙润湿、矿物结垢或结构不稳定等引起的膜功能层失效问题是膜蒸馏(MD)技术的关键挑战,严重影响其长期运行稳定性.本文提出一种“全共价”接枝修饰的方法,制备具有优异MD性能的全疏/滑移膜蒸馏膜材料.具体而言,通过使用聚多巴胺型插层将纳米硅球共价键合在聚偏氟乙烯(PVDF)膜表面,并采用巯基-烯烃点击化学进行直接表面氟化改性.通过接触角测试,发现所制备的PDA/PVDF-C膜具有超高的静态水接触角(163.5°±0.9°)和极低的滚动角(5.6°±1.2°).在不同表面张力液体的侵蚀作用下,该膜均未出现膜孔的润湿现象,体现出优异的抗润湿性能.由于该膜表面特殊的全疏/滑移特性,该膜能够持久并稳定地处理含有表面活性剂的高盐卤水,延缓石膏垢的形成,运行性能显著优于商用疏水膜.该膜初始通量约为23.5 L/(m²·h),运行前后始终保持对盐高达99%的截留.本研究提供了一种新颖而有效的方法开发“全共价”型MD膜,该膜具有优异的抗润湿、抗无机结垢以及结构稳定性,可用于高盐废水的资源化处理.     

膜蒸馏传质强化研究

以纯水和ＮａＣｌ水溶液为实验物系,采用聚丙烯中空纤维微孔膜分别进行了渗透膜蒸馏、纯水介质膜蒸馏和盐水强化膜蒸馏实验研究,考察了盐水浓度和操作温度对膜蒸馏传质通量和热效率的影响,并对３种形式膜蒸馏的实验数据进行了对比．结果表明,盐水强化措施可以有效地提高膜蒸馏传质通量,并使过程的热效率显著提高．