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苦咸水淡化用聚偏氟乙烯微孔蒸馏膜的研制

张永波  
【摘要】: 目前世界各地淡水资源匮乏日益严重,尤其在我国西部地区,该问题更为突出。解决淡水资源危机的有效战略途径就是水的淡化。海水/苦咸水淡化技术经过半个多世纪的发展,从技术上讲已经比较成熟,目前水的淡化以多级闪蒸和反渗透为主,其它有多效蒸馏、电渗析、压汽蒸馏。上述方法需要高温或高压,设备复杂,技术要求高,对处理水质量要求高,一般需要进行水的预处理,这使得淡化水成本居高不下。目前出现的膜蒸馏方法则克服了上述缺点,在水淡化领域越来越受到重视。在膜蒸馏过程中,被加热的咸水产生水蒸汽,水蒸汽透过膜,膜的特点是允许蒸汽透过而液态水却不能通过,透过的水蒸汽遇到温度较低的表面后冷凝,冷凝的水滴由于膜的特殊性不能透过膜而返回,将其进行收集便得到淡水。膜蒸馏法所用设备简单,维护方便,除盐率高,较低的温度下即可进行,淡化后的浓缩水浓度高,作为副产品可用于盐的生产,这些都有可能使得淡化水的成本降低。虽然膜蒸馏法处理海水/苦咸水具有诸多的优点,但目前为止仍未取得商业上的成功,其重要原因在于蒸馏膜的性能,膜的成本、蒸馏通量、强度、疏水性、耐老化性、抗污染性等还有待进一步的改善和提高。本课题从上述角度出发,进行了大量研究工作,其主要内容包括以下几部分: 1.PVDF单膜性能的研究。课题的初步阶段,去除支撑体的影响,改变制膜条件,制得不同结构的PVDF微孔膜,然后对膜的形态结构及其性能进行研究,找出制膜条件与膜的形态结构及性能之间的关系,为制备出性能优良的蒸馏膜打下基础。首先对利用相转化法制备的微孔膜形态结构进行研究,确定传导阻力较小的理想结构模型,致密层在能阻止微孔被浸润的情况下尽可能薄;指状孔在膜厚方向所占比例尽可能大;孔径大小适宜;海绵状组织结构疏松。然后通过改变PVDF溶解温度,铸膜液的溶剂,PVDF的分子量,PVDF用量,添加剂氯化锂用量,涂膜时预挥发时间,凝固浴温度以及凝固浴中无机盐氯化钠、溶剂丙酮等影响因素,考察这些因素对膜形态结构及孔径,孔隙率,水通量,透湿量等性能的影响规律,初步确定了铸膜液配方及涂膜工艺条件。实验结果表明,利用优化工艺所制得PVDF微孔膜孔隙率在75%以上,平均孔径在1μm以下,透湿量较高,形态结构接近于理想模型的微孔膜。 2.PVDF复合膜性能的研究。在初步确定的铸膜液配方及涂膜工艺的基础之上,为提高PVDF单膜的强度,引入支撑体制得复合膜。实验结果表明,支撑体的加入在一定程度上改变了PVDF膜的形态结构,使得海绵状组织减少,结构疏松,指状孔变得贯通,与课题所设计的理想模型比较吻合。在完成膜蒸馏通量测试装置的基础之上,本课题对PVDF复合膜的脱盐性能进行了研究,考察了料液温度,料液盐浓度,料液流量,操作压力,操作时间,气隙距离,支撑体种类,料液中离子种类对蒸馏通量,除盐率及蒸发效率的影响规律。实验结果表明,除 盐率的衰减与膜的浸润直接相关,对膜进行拒污整理能明显提高膜的抗污染性,。 使得蒸馏膜的除欢率提高,衰减缓慢。 3 传质传热模型的建立。膜蒸馏传质传热机理的研究对于认识该过程的本质 及其影响因素,强化忧化过程和设计计算有着重要指导意义。在大量实验的基础 之上,本课题对气隙膜蒸馏过程的传质传热进行了分析研究。通过对使用PVDF 复合膜的气隙膜蒸馏过程的传热分析,建立了传热模型,根据蒸馏通量及部分操 作条件可以求得PVDF微孔膜两侧的温度,进一步得知作为膜蒸馏过程推动力的 膜两侧蒸汽压差及重要参数膜蒸馏系数。同样,在得知膜蒸馏系数的情况下可以 计算出理论上的蒸馏通量值。通过对膜蒸馏过程的传质分析,建立了计算膜蒸馏 系数的数学模型,利用所得膜蒸馏系数及膜蒸馏过程的操作条件结合传热模型可 以计算出蒸馏通量。理论计算与实测结果较为接近,验证了模型的可靠性,传质, 传热模型的建立对膜蒸馏实际生产能够起到一定的指导作用。 以卜的实验研究及分析表明,本课题所制备接近通孔结构的PVDF微孔复合。 膜对水蒸汽的传导阻力较小,支撑体涂膜前的防水整理及复合膜的拒污整理提高。 了脱的抗污染件,比饺适合于利用膜蒸馏法对苦成水进行脱盐,传质传热模型的 建立对实际生产具有指导意义。


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