面向海水淡化的无机分子筛膜制备及性能研究

【摘要】：随着全球人口的急剧增长和城市化进程的逐步加快,水资源短缺正在成为当代社会面临的最大挑战之一,海水淡化和苦咸水脱盐是解决这一世界性问题的有效途径之一。与反渗透和多级闪蒸相比,膜法渗透汽化技术具有低能耗、低预处理要求等优势,是极具工业应用潜力的海水淡化新技术。无机微孔分子筛膜具有可调控的微孔道结构以及合适的孔径,是一种极具潜力的渗透蒸发脱盐膜材料。本文围绕制备高性能载体和无机微孔分子筛脱盐膜,先后探究了ZSM-5沸石膜、有机无机杂化硅BTESE膜以及中空纤维载体的制备与优化,并将其应用于渗透汽化脱盐中,主要内容如下:(1)考察了ZSM-5沸石膜的合成方法以及关键条件对其形貌、性能的影响。结果表明,通过二次晶化法,使用配比为n(Al_2O_3):n(Si O_2):n(Na_2O):n(Na F):n(H_2O)=0.05:1:0.21:1.01:55的含氟合成液,在175℃条件下晶化48h制备出的ZSM-5膜的渗透汽化脱盐性能最佳,其在75℃条件下对3.5wt.%的Na Cl溶液进行PV脱盐处理时,渗透通量为8.35 kg·m~(-2)·h~(-1),盐离子截留率为99.99%,且在60h内保持稳定。(2)考察了BTESE膜的合成方法以及关键条件对其形貌、性能的影响。结果表明,采用“三步溶胶热涂层法”,使用2.5wt.%的BTESE前驱体溶胶作为合成液,进行3次30min的300℃快速煅烧合成的BTESE膜的渗透汽化脱盐性能最佳,其在60℃条件下对3.5wt.%的Na Cl溶液进行PV脱盐处理时,渗透通量为10.37 kg·m~(-2)·h~(-1),盐离子截留率大于99.9%,且在120h内保持稳定。(3)考察了相转化法制备陶瓷中空纤维时,铸膜液配方、纺丝过程空气间距以及烧结曲线对于其形貌和性能的影响,发现纺丝过程中空气间距的调控是有效改良中空纤维形貌、性能最经济的方法。根据前人经验和对参数的改良,使用铸膜液质量分数比为PESf:α-Al_2O_3:NMP:PVP=8.14:50:40.68:1.18(其中粉体中无定形1μm与无定形0.2μm粉体的质量比为42.52:7.48),纺丝条件为空气间距6cm、氮气压力0.3MPa、喷丝头内外径尺寸为ID/OD=1mm/2mm、内外絮凝剂均为水,制备了形貌、渗透性能、机械强度均较为出色的陶瓷中空纤维,其抗弯强度为35.22 MPa,纯水通量为82kg·m~(-2)·h~(-1)。(4)创新性地使用“三步溶胶凝胶合成法”在平板和陶瓷中空纤维载体上合成了有机无机杂化硅BTESE膜,并获得了较为理想的渗透汽化脱盐效果。平板BTESE膜的通量达到23.58 kg·m~(-2)·h~(-1),截留率达到99.8%以上;中空纤维BTESE膜通量达到30.57kg·m~(-2)·h~(-1),截留率达到99.8%以上,虽水热稳定性较差,但具备较高的PV脱盐应用潜力。(5)考察了料液温度和盐浓度对平板BTESE膜渗透汽化性能的影响,随着温度升高,膜的渗透通量逐渐升高,截留率基本不变;随着浓度的升高,膜的通量逐渐降低,截留率保持稳定。