面向膜蒸馏过程的亲/疏水复合膜电纺制备及其应用

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传统的膜蒸馏用疏水膜材料极易受到疏水性有机物污染,针对这一限制膜蒸馏技术应用的瓶颈问题,研究提出了以醋酸纤维素(Cellulose acetate,CA)、壳聚糖(Chitosan,CS)等亲水性聚合物为主要原料,采用静电纺丝技术,制备了具有自清洁功能、可抵抗油类污染的亲/疏水复合膜,并将其应用于含微量原油盐溶液的膜蒸馏浓缩过程。主要研究成果如下:(1)考察了聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)疏水微孔膜表面形貌、孔径分布及其表面浸润性等功能指标,并进行了膜蒸馏盐浓缩与抗油污染测试。结果表明,所选用商业PTFE微孔膜呈“节点-纤维”结构,膜孔径分布集中在0.45μm,孔隙率在54.3%左右,膜表面水接触角高于130.5°、水下油接触角约为25.5°。以35g/L NaCl溶液为原水,进料侧和渗透侧温度分别为53℃、20℃时,PTFE膜通量可达17.2 kg/(m~2·h);当盐溶液中含有1‰原油时,相同工况下,PTFE膜污染严重,电导率急剧上升,通量急剧下降直至为零。(2)以PTFE为基膜,采用静电纺丝技术制备了CA-PTFE及硅纳米粒子(Si O2Nano Particles,Si NPs)杂化CA/Si NPs-PTFE亲/疏水复合膜。所制备的CA、CA/Si NPs纳米纤维膜展现出三维空间网状结构,纤维直径集中在1200 nm,膜表面亲水性良好,具有优良的开孔结构。CA/Si NPs纳米纤维功能层表面粗糙度较高,形成了“微米-纳米”梯级粗糙结构,膜表面水接触角为45.5±2.3°、水下油接触角可达150.6±2.1°。膜蒸馏盐浓缩与抗油污染测试表明,亲/疏水复合膜可保障膜蒸馏过程稳定运行,且复合膜CA/Si NPs-PTFE通量可达17.2 kg/(m~2·h),说明静电纺丝技术制备的亲/疏水复合膜能用于膜蒸馏脱盐过程,且具有良好的抗油污染功能。(3)以PTFE为基膜,制备了聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol,PVA)-壳聚糖(PVA-CS)共混型亲/疏水复合膜。采用静电纺丝技术,纺制PVA-CS、PVA-CS-Si NPs抗污染功能表面,并用戊二醛(Glutaraldehyde,GA)对膜表面进行交联后处理。复合膜孔径分布较PTFE更窄、膜孔径集中在平均孔径附近;表面改性后的复合膜具有通透互穿的网络状结构,热压处理后膜孔径未见明显变化,孔隙率略有下降,膜表面浸润性未受影响。交联后处理可导致电纺纳米纤维变粗,而硅颗粒在纳米纤维中的分布则由附着转为内嵌、形成纤维包覆结构。PVA-CS-Si NPs/GA-PTFE复合膜纳米纤维层厚度仅有46μm,膜表面水接触角为2.0±1.5°、水下憎油角为159.2±1.4°,达到了水下超疏油水平。PVA-CS-Si NPs/GA-PTFE亲/疏水复合膜可保障膜蒸馏脱盐过程长期稳定运行,膜通量稳定在18.2 kg/(m~2·h)左右,制备的复合膜具有稳定、超强的抗油污染功能特性。
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