高抗污油水分离膜制备及分离性能的研究

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近年来,工业污水的大量排放以及石油泄漏事故的频发等产生了越来越多的含油废水。含油废水的大量排放会对环境及生态产生严重的破坏,对含油废水进行有效分离及合理回收利用符合经济发展和环境保护的双重需要。与传统的油水分离技术相比,膜分离具有操作简单、分离效率高、节约能源等优点,但膜污染问题难以得到有效解决。此外,用膜来进行油/水(液液)分离的机理研究较少。因此,揭示超浸润油水分离膜的抗污染机理,并制备高抗污膜来解决持续油水分离过程中的膜污染问题是非常有必要的。首先,本课题在聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜基底上构建聚多巴胺(PDA)微/纳米球,制备了一种具有超亲水-水下超疏油性能的纳米纤维复合膜。制备的复合膜展现出良好抗污性能,在经过连续两个小时的过滤之后,复合膜的渗透通量仍然能保持在11666±978 L·m-2·h-1·bar-1,约为PAN基膜通量的2.7倍(4260±430 L·m-2·h-1·bar-1),并且全程的分离效率大于99.9%。基于复合膜良好的分离性能,本课题提出了挤压破乳和剪切破乳的机理。然后,利用热分析法分析了膜的水合能力,利用扩展的Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek(XDLVO)理论分析了油在膜表面的粘附自由能,从理论上阐明了该膜的抗污机理。结果表明,与PAN基膜相比,PDA微/纳米球组装的复合膜具有较强的水合能力,对甲苯具有较弱的粘附能力。通过对研究结果分析发现,仅仅通过超浸润改性不能从根本上解决油水分离中的膜污染问题。最后,本课题打破了传统油水分离膜的分离方式,制备了一种具有超抗污性能的油水分离膜。该膜在分离油水乳液时,在水相连续通过的同时,油相也以大油滴的形式通过膜,解决了由于油在膜表面积聚造成的膜污染问题。该膜对水包甲苯乳液进行分离时,膜通量为1078±50 L·m-2·h-1·bar-1,分离效率大于99%,两个小时的连续分离之后,膜通量降低率小于4%,分离效率基本不衰减。此外,将该膜应用于黏度较大的水包D5乳液的分离时,该膜仍然能表现出优异的分离性能和抗污性能。基于膜良好的抗污性能及分离效率,本课题提出了膜表面和内部同时破乳的机理,并探究了主要影响因素对分离性能的影响。本课题的研究有利于油水分离膜的工程化应用,为油水分离抗污膜的发展提供了新的视角。
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