热致相分离聚丙烯平板微孔膜的研制及其膜蒸馏特性研究

【摘要】：膜分离是一门新型的分离技术,其中微孔过滤是工业中应用最广泛的膜过程之一。目前商品化的微孔滤膜孔径分布较宽,因此在膜萃取、膜蒸馏、膜吸收等新型膜过程中分离性能较差。本研究的目的是研制开发一种孔径分布窄、价格低廉、疏水性强、化学稳定性好且性能优良的平板微孔过滤膜,并对其膜蒸馏特性进行研究。 本文采用热致相分离(TIPS)法成功制备了孔直径分布集中于0.02~0.1μm的聚丙烯(iPP)平板微孔膜,稀释剂为豆油,并确定了成膜条件。表征了研制系列聚丙烯平板微孔膜的机械性能、厚度、灰分、疏水性能、热性能及孔特性参数,用扫描电镜(SEM)观测了膜孔结构。 基于热力学及结晶动力学理论,探讨了成膜机理,解决了平板膜制备过程中晶习控制、孔径分布及控制等技术难题。研究了聚丙烯浓度和熔融指数、稀释剂种类及含量、成核剂种类及含量、淬冷水浴温度等成膜因素及条件对聚丙烯平板微孔膜结构及透水性能的影响,当渗透压力差为0.15MPa时,自制膜的纯水通量达359kg/(m~2·h)。 研究了自制膜组件的真空膜蒸馏(VMD)特性,采用正交试验设计法确定了VMD膜的最佳制膜条件:稀释剂为豆油、iPP浓度为27 wt.%、iPP熔融指数(MI)为16.08g/10min、淬冷温度为20℃、成核剂己二酸含量为0.5wt.%、萃取剂为正己烷、铸膜液温度为190℃、刮板温度为210℃。 同时考虑Poiseuille flow与Knudsen diffusion两种机理,建立了VMD用聚丙烯平板膜组件纯水VMD过程热量与质量传递数学模型。以纯水VMD过程实验数据,回归了自制膜组件VMD过程进料侧边界层对流传热系数,并将其应用于建立描述该组件NaCl水溶液VMD过程的数学模型,研究了过程的温度极化现象及其对热量、质量传递的影响,模拟结果与实验数据吻合较好。NaCl水溶液VMD过程产品水脱盐率均在99.9%以上。 首次采用自制的膜组件在渤海湾海水淡化产业上做膜蒸馏的探索性实验。当真空侧压力为3kPa、进料温度为323.15K、流量为50L/h时,渤海湾预处理海水VMD过程的水通量达10.56 kg/(m~2·h),产品水的脱盐率均在99.8%以上。研制的膜组件在膜蒸馏海水淡化产业上呈现出很好的应用前景。