船用海水淡化装置是远洋船舶必备的生活保障设施,受船舶上能源供应的限制,利用废热或太阳能来淡化海水是远洋船舶获取淡水的重要发展趋势。由于运行温度较低,作为海水淡化技术,膜蒸馏具有良好的应用前景。 膜性能是决定膜蒸馏分离效果的关键要素,静电纺丝膜的高孔隙率,赋予其较高的通量,因而成为膜蒸馏领域的研究热点之一。聚偏二氟乙烯(PVDF)的疏水性好,在很多极性溶剂中可溶,因此成为最常用的膜蒸馏用静电纺丝膜原材料。
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但传统PVDF静电纺丝膜的抗润湿能力较弱,应用于膜蒸馏过程的稳定性欠佳。为提高静电纺丝膜抗润湿能力,本文从静电纺丝膜表面到构成膜的纳米纤维,进行了多层级的本征性疏水强化修饰,提高了膜的抗润湿性;同时,探明了静电纺丝膜在膜蒸馏过程中的润湿机理,实现了膜通量的再生;最后,对基于静电纺丝膜的膜蒸馏海水淡化进行了研究,验证了其在船舶上的应用可行性。插卡式摄像机
主要研究内容包括以下五个方面:(1)表面负载纳米碳颗粒提高静电纺丝膜的抗润湿性:针对传
元数据管理平台统PVDF静电纺丝膜长时间运行过程中易润湿的问题,采用表面喷涂和热压的方法,在静电纺丝膜表面固载一层疏水性纳米碳颗粒。因纳米碳颗粒具有更高的疏水性,改性膜的接触角从130.6°提高到156.0°。污水池玻璃钢盖板
膜蒸馏脱盐实验结果表明,改性后膜的通量和抗润湿性均大幅提高。当纳米碳颗粒的负载量为4g/m2时,厚度为160μm膜的水通量达14.6kg/m2h,比原膜提高了 33%;稳定运行时间提高到41.5h,比原膜增加了 34%。
(2)表面覆盖超疏水碳纳米管(CNT)网络层提高静电纺丝膜抗润湿性:为避免球形碳纳米颗粒易沉积到静电纺丝膜孔内,及纳米颗粒堆积间隙较小导致的传质阻力变大的现象,采用疏水性CNT对静电纺丝膜表面改性。为了使CNT在膜表面分布均匀,选择快速挥发并能完全润湿PVDF膜表面的乙醇作为溶剂,制备成CNT含量较低的分散液后,喷到膜的表面;经过热压使CNT与静电纺丝膜结合。
SEM结果显示,CNT在静电纺丝膜表面均匀分布并交织成薄网络层。由于CNT的强疏水性,改性后膜表现出高达159.0°的接触角。
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膜蒸馏脱盐实验结果表明,当碳纳米管覆盖量为20g/m2时,厚度为100μm膜水通量比原膜提高了 33%,达28.4 kg/m2h;稳定运行时间提高到25 h,比原膜增加了 78%。(3)低表面能聚二甲基硅氧烷改性纳米纤维制备高抗润湿性的静电纺丝膜:表面负载超疏水性纳米颗粒会导致膜表面孔径发生变化,为此提出对构成静电纺丝膜的纳米纤维进行疏水化改性,采用浸涂法将聚二甲基硅氧烷包覆到纳米纤维表面,制备出本体强疏水的静电纺丝膜。
得益于聚二甲基硅氧烷更低的表面能,改性膜的接触角上升到148.6°。膜蒸馏脱盐实验结果表明,对于厚度为80μm的静电纺丝膜,原膜的膜蒸馏稳定运行时间低于1h,而改性膜的抗润湿能力有了明显提高,稳定运行时间增加到22h;同时,由于膜厚度减小使得传质阻力更低,通量提高到30.2kg/m2h。
(4)静电纺丝膜润湿机理及通量恢复研究:针对静电纺丝膜在膜蒸馏中更易润湿的问题,通过分析膜润湿后疏水性和孔径的变化,探明了静电纺丝膜在膜蒸馏中润湿机理。在膜蒸馏运行中,进料溶液会部分陷入膜孔中,水蒸汽会在陷入膜孔中的凹液面蒸发,当没有新鲜进料液补充时,溶质会在膜孔中结晶。
进料液可以沿着结晶的溶质渗透,使结晶位置从膜的进料侧向透过侧移动,直到膜完全润湿。
物化性质分析证实,润湿膜的孔中结晶了 NaCl,导致了孔径分布发生变化、疏水性变差。
根据润湿机理,通过膜清洗,去除膜孔中的NaCl,膜通量可以完全恢复,实现了膜的再生。(5)静电纺丝膜在膜蒸馏法船用海水淡化中的可行性分析:设计了日产十吨的船用海水淡化工艺。
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为了避免静电纺丝膜的润湿,在工艺中设计了定时反冲洗方法,以确保膜蒸馏过程连续稳定运行。根据系统产水量,计算了所需的静电纺丝膜面积,估算了系统的热负荷,以及海水预处理所需的超滤膜组件数量。
结果表明,采用静电纺丝膜并利用船舶废热,在小型船用海水淡化系统中是可行的,且具有良好的发展前景。
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