PTFE平板微孔膜的超疏水改性及其在膜蒸馏中的应用

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膜蒸馏(MD)因其高效、环保等优势成为分离技术中的新热点。MD可用于海水淡化、工业废水的处理和物质浓缩。与其他的分离技术相比,MD具有截留率高、投资成本低、操作简单等优势,因此被认为是一种很具有商业化应用前景的技术。在MD的膜材料中,聚四氟乙烯(PTFE)具有疏水性好,耐强酸、强碱、耐热等特点,是MD的理想材料。本课题主要研究PTFE平板微孔膜的制备以及PTFE平板微孔膜的超疏水改性,并将其应用于气扫膜蒸馏(SGMD)进行海水淡化。本文主要研究内容和结论如下:(1)采用“推压—拉伸—烧结”工艺制备PTFE平板微孔膜,控制压缩比,烧结时间,烧结温度一致,调节拉伸倍数,拉伸温度和热定型温度,制备出6种平均孔径、孔隙率不一的平板微孔膜。并对微孔膜的微观结构,孔径分布进行研究;制备的PTFE平板微孔膜具有“原纤–节点”微观形态,孔隙率在35%–63%,平均孔径在0.17μm–0.41μm。(2)通过溶胶凝胶法在聚四氟乙烯(PTFE)平板微孔膜表面形成SiO2微纳米粒子,再采用全氟癸基三甲氧硅烷(FAS-17)对其进行修饰,获得超疏水表面的PTFE平板微孔膜。考察了正硅酸乙酯(TEOS)和三甲基三乙氧基硅烷(MTES)配比、FAS-17浓度等对平板膜疏水性和微孔结构的影响。改性后,SiO2微纳米粒子附着和内嵌在PTFE的原纤-节点网络结构内,减小了膜孔径和孔隙率;在溶胶凝胶TEOS/MTES的比例为1:1,溶胶凝胶温度为60℃,FAS-17浓度为4wt%时,改性后PTFE平板微孔膜表面达到超疏水效果,WCA为154.3o,RA为8o;FTIR分析表明,改性前后PTFE平板微孔膜表面化学基团发生明显变化。(3)采用热处理法在PTFE平板微孔膜表面建立微纳米结构,利用聚四氟乙烯自身为低表面能物质的优势,制备出高孔隙的超疏水PTFE平板微孔膜表面。考察了热处理温度、保温时间及冷却时间对平板膜疏水性和微孔结构的影响。改性后, PTFE平板微孔膜表面逐渐粗糙,表面出现微尺度槽和微突结构,增大了膜的孔径与孔隙率;在热处理温度为350℃,保温时间为3min,冷却时间为4h时,改性后PTFE平板微孔膜表面达到超疏水效果,WCA为151.94o,RA为8.04o;FTIR分析表明,改性前后PTFE平板微孔膜表面化学基团无变化,热处理改性PTFE平板微孔膜主要是通过改变PTFE平板微孔膜的表面形貌结构来提高膜的疏水性能。(4)连续120h运行SGMD装置处理模拟海水,考察PTFE平板微孔膜进行超疏水改性后对膜蒸馏通量的影响;运行结果表明,在膜蒸馏过程中,未改性的原膜膜污染严重,产水通量随运行时间逐渐下降;对于溶胶凝胶改性后的PTFE平板微孔膜超疏水膜能保持长时间疏水性,产水通量恒定在3.65kg/h·m2左右,脱盐率保持99.8%以上;对于热处理改性后的PTFE平板微孔膜来说,产水通量恒定在5.32kg/h·m2左右,始终高于原膜,脱盐率保持99.8%以上,且能保持长时间疏水性。
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