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VIPS法制备PSf聚砜平板膜及其直接接触膜蒸馏过程研究

作　者: 董亚军
导　师: 彭跃莲
学　校: 北京工业大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 聚砜蒸汽诱导相转化法直接接触膜蒸馏传质传热热效率
分类号: TQ028.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

膜蒸馏是传统蒸馏工艺与膜分离技术相结合的一种新型的膜分离技术，它以疏水微孔膜为介质，在膜两侧蒸气压差的作用下，料液中挥发性组分以蒸气形式透过膜孔，从而实现分离。具有分离效率高、操作条件温和、能耗低等优点，可广泛应用于海水淡化、废水处理等领域。但是受分离膜等因素的影响，膜蒸馏存在通量低及热效率低等问题，至今未实现工业化。因此，研制性能优良、价格低廉的优质膜尤为关键。合格的膜蒸馏用膜不仅要表面疏水，还要有适宜的孔径、高孔隙率和机械强度，才能维持较高的通量和截留性能，此外，为提高过程热效率，低热导率也是膜蒸馏用膜所必须的。基于上述，论文主要从以下三个方面展开：（1）PSf微孔膜的制备及性能影响因素研究结合蒸汽诱导法成膜原理，探索VIPS成膜过程中主要影响因素：初生态膜在蒸汽中暴露时间（以下简称暴露时间），聚合物浓度，蒸汽的相对湿度（RH）对最终膜结构及其性能的影响。研究发现，VIPS过程中，随着暴露时间的延长，膜上表面双连续多孔结构逐渐转变为致密皮层，其直接接触膜蒸馏（DCMD）通量迅速下降。但是膜参数，例如接触角，厚度，孔隙率，平均孔径以及水透过最小压力LEPw基本不发生变化。PSf浓度越高，膜越容易形成指状孔结构，PSf浓度越低，越容易形成对称的海绵状结构。低的蒸汽相对湿度十分有利于膜表面的疏水性。本研究制备的最优PSf膜的膜参数如下：平均孔径0.32μm，静态水接触角为106.4°，LEPw值为300kPa，整体孔隙率为82.1%。控制热冷侧温度分别为73°C和25°C，将其用于DCMD过程中对浓度为35g/L的盐溶液进行脱盐，通量最高达30.0kg m-2h-1，脱盐率高达99.9%，其膜蒸馏性能与文献中已报道的平板膜膜蒸馏性能有相当或更优异的可比性。这也说明利用干/湿纺丝过程，本研究所用的VIPS法有望用于制备多孔疏水中空纤维PSf膜，因为最优暴露时间在1min以内，可利用有效地控制气隙长度来达到此目的。（2）亲/疏水PSf膜DCMD过程应用研究探讨了该结构的膜在DCMD过程中的传质传热机理，根据努森-分子扩散传质机理建立的数学模型所得预测通量值与实验值基本吻合，最大偏差仅仅为11.9%。这也说明利用称重法测量所得的气隙层厚度是可行的。考察了操作条件:如料液浓度，温度及热冷侧流体流速对通量的影响。结果表明，当料液浓度较低时，边界层内的浓差极化对通量的影响不大，但是，随着料液浓度逐渐增大，通量下降的幅度逐渐增加。随着流体流速的增加，通量逐渐增加，且通量增加的幅度受热侧流体流速的影响大于冷侧，当热侧流体流速从27L/h增加到162L/h,膜通量增加118%，当冷侧流体流速增加同样的幅度，膜通量仅仅增加68%。当冷侧流速由108L/h增加到162L/h时，膜通量增加7%，但是当热侧流体流速增加同样的幅度时，膜通量增加31%。由此看出，热侧流体流速对通量的影响远远大于冷侧流体流速对其的影响。该现象可以从流体流速对雷诺数，传热系数，温差及热冷侧传质推动力的影响来解释，因为上述各参数受热侧流体流速的影响更明显，所以增加热侧流体流速对于增加通量有很重要的意义。（3）DCMD过程热效率的研究根据单层疏水膜DCMD传质传热模型，从实验及数学模拟计算探讨DCMD过程膜参数（孔径、孔隙率、厚度、热导率等）对程热效率的影响。结果表明，随着膜热导率逐渐减小，DCMD过程热效率逐渐增加；随着膜整体孔隙率逐渐增加，膜热导率减小，DCMD过程热效率逐渐增加；随着膜孔径逐渐增加，水蒸气在膜孔中的扩散增加，DCMD过程热效率逐渐增加，考虑DCMD通量及截留性能，最优孔径控制在0.3μm–0.45μm，膜厚会影响膜面温度，对热效率有间接影响，只是膜厚与传导热及蒸发热通量均成反比，故对MD热效率影响很小。在此基础上，对低热导率膜的制备进行了初步探讨。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
物理量名称及符号表  10-14
第1章绪论  14-30
  1.1 膜蒸馏简述  14-18
    1.1.1 膜蒸馏原理  14
    1.1.2 膜蒸馏发展及研究现状  14-15
    1.1.3 膜蒸馏的形式  15-17
    1.1.4 膜蒸馏的应用  17-18
  1.2 膜蒸馏用膜  18-22
    1.2.1 膜蒸馏用膜的要求  18-19
    1.2.2 膜蒸馏用膜材料  19-20
    1.2.3 膜蒸馏用膜的制备  20-22
  1.3 膜蒸馏的传质和传热过程  22-29
    1.3.1 膜蒸馏的传质过程  22-23
    1.3.2 膜蒸馏的传热过程  23-24
    1.3.3 薄膜热导率的测量  24-29
  1.4 课题的提出与研究内容  29-30
第2章实验部分  30-42
  2.1 实验原料与仪器  30-32
    2.1.1 实验原料  30-31
    2.1.2 实验设备  31-32
  2.2 膜制备  32-34
    2.2.1 PSf 微孔膜的制备  32-33
    2.2.2 PSf/SiO2气凝胶共混膜的制备  33
    2.2.3 PSf/SiO2气凝胶涂覆膜的制备  33-34
  2.3 膜表征  34-38
  2.4 直接接触膜蒸馏实验  38-42
    2.4.1 DCMD 通量测定  39-40
    2.4.2 截留率测定  40
    2.4.3 亲/疏水膜气隙层厚度测定  40-42
第3章 DCMD 过程传质传热分析及模型建立  42-50
  3.1 直接接触膜蒸馏传质传热过程  42-49
    3.1.1 单层疏水膜 DCMD 传质传热  43-45
    3.1.2 单层亲/疏水膜 DCMD 传质传热  45-49
  3.2 本章小结  49-50
第4章 PSf 膜影响因素及其 DCMD 过程研究  50-72
  4.1 PSf 膜结构影响因素  50-57
    4.1.1 蒸汽诱导时间  50-54
    4.1.2 聚合物浓度及蒸汽相对湿度  54-57
  4.2 PSf 膜参数及 DCMD 性能影响因素  57-63
    4.2.1 初生态膜在蒸汽中的诱导时间  57-61
    4.2.2 聚合物浓度及蒸汽相对湿度  61-63
  4.3 PSf 膜用于长时间 DCMD 脱盐过程  63-64
  4.4 PSf 膜与其它 MD 用膜的对比  64-65
  4.5 DCMD 操作参数对通量的影响  65-70
    4.5.1 料液浓度  65-67
    4.5.2 流体流速  67-70
  4.6 本章小结  70-72
第5章直接接触膜蒸馏过程热效率研究  72-82
  5.1 直接接触膜蒸馏热效率的影响因素  72-76
    5.1.1 工艺及操作参数  72-73
    5.1.2 膜参数  73-76
  5.2 低热导率 PSf 膜的制备研究  76-81
    5.2.1 PSf/SiO2气凝胶共混膜  76-79
    5.2.2 PSf/SiO2气凝胶涂覆膜  79-81
  5.3 本章小结  81-82
结论与建议  82-86
参考文献  86-94
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  94-96
致谢  96

VIPS法制备PSf聚砜平板膜及其直接接触膜蒸馏过程研究

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