聚偏氟乙烯疏水微孔膜的研制及膜蒸馏机理研究

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1、北京化工大学博士学位论文聚偏氟乙烯疏水微孔膜的研制及膜蒸馏机理研究姓名：（厶贝）延滨申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：马润宇2002.4.18——i!塞些：!：查堂堕主堂丝丝壅——聚偏氟乙烯疏水微孔膜的研制及膜蒸馏机理研究摘要膜蒸馏是一种新型的膜分离技术，可用于海水淡化、纯净水制备、热敏物料浓缩等方面。研究膜蒸馏的过程机理，进而解决膜蒸馏实际应用中的问题具有重要的理论和实际意义。本文从理论上描述了直接接触式膜蒸馏的质量和热量传递过程，通过纯水实验对比了直接接触式膜蒸馏过程的各种数学模型，认定当膜孔径较小，料液不进行脱气处理，并且在膜两侧的压力基本相等的条件下，直接接触式膜蒸

2、馏传质过程是努森扩散和分子扩散相互串联的一种过渡型扩散，过程中不存在泊淞流，而且在直接接触式膜蒸馏过程中，水的潜热随温度变化可以不用考虑。首次发现，当冷热侧温差高于30℃，随浓盐溶液在膜蒸馏过程中不断浓缩，膜渗透通量呈现倒“S”形变化，当冷热侧温差较小时，不出现倒“s”形变化。并且发现倒“s”形曲线上的第一拐点对应料液的浓度约为25％。详细研究了浓盐溶液膜蒸馏过程中，冷热侧温度、流速和料液浓度对浓盐溶液膜蒸馏行为的影响。C实验发现，流道中加入支撑网可以显著提高膜渗透通量，随支撑网密度的增加，流体在膜面的湍流度增加，膜渗透通量增加。当支撑网密度超过一定的限度后，流体在流道中的阻力急剧

3、上升，反而导致湍流度下降，膜渗透通量也下降，并且发现热侧流道中湍流度对膜渗透通量的影响大于冷侧流道湍流度对膜渗透通量的影响。膜两侧使用不同密度支撑网时，其对膜渗透通量的影响不大，但均小于膜两侧同时使用大支撑网时的膜渗透通量，大于膜两侧同时使用小支撑网和不使用支撑网时的膜渗透通量。研究了使用膜蒸馏技术浓缩青霉素水溶液的可行性，并对浓盐溶液膜蒸馏行为中膜污染问题进行了探讨√提高膜渗透通量的关键是研制孔径为0．2～1．0unl和高孔隙率的，疏水性微孔膜。体文研制此种膜的途径有两个，一是以PVDF为膜材料，通过改变添加剂种类和浓度来提高膜孔径和孔隙率；二是以PVDF／PS共混的形式，通过凝

4、胶过程中，PVDF和Ps凝胶速度的差异来提高膜孔径和孔隙率。厂y首先我们考察了PVDF浓度对膜性能的影响，通过大量的实验得出，PVDF的适宜浓度范围为12～20wt％。(铸膜液中添加剂的存在，影响了聚合物、溶剂和凝胶浴三者之间的相互作用，因而可有效地提高膜孔径和孔隙率。通过研究无机盐添加剂和高分子添加剂对膜性能的影晦，络合二者各自的优点，即采用混合添加剂制得性能良好的PVDF微孔膜。／o膜孔径和孔隙率受铸膜液温度的影响很小，但受凝胶浴组成和温度的影响很大。l采用乙醇和异丙醇溶液作为凝胶浴，当其浓度为30％左右时，膜孔径和孔隙率出现峰值。随凝胶浴温度的升高，孔径略有上升，孔隙率逐步增

5、大，在50。C以后趋于稳定。发现热处理温度为80"C时较为合适，而且热处理过的膜在于燥后膜面大孔很少，膜性能优良。所制PVDF微孔膜具有良好的机械强度和耐高温、耐摘要酸碱和耐有机溶剂等特性，在氕隙式膜蒸馏组件中对PVDF疏水微孔膜进行测试，膜渗透通量可达5L／m2h。)”f由于PVDF所制膜的强度较差、孔径较小，使用混合添加剂PEG／LiCl后，虽然膜孔径和孔隙率有所改善，但亲水性高分子添加剂PEG会残留于膜中，降低膜的疏水性，影响膜的截留率和使用寿命。J为了改进PV／)F膜性能，我们将PVI)F和Ps共混来研制大孔径、高孔隙率的微孑L膜。聚偏氟乙烯作为第一组分(连续相)，将PS作

6、为第二组分加入共混体系，旨在更好地提高膜性能，改善膜的透水性能和孔隙率。与单组分PVDF膜相比，PVDF／PS共混膜纯水通量和孔隙率有大幅度度的提高，膜的机械性能也得到了加强。以LiCl为添加剂，聚合物浓度为14％时，所制膜的综合性能优良。这说明共混化是一种改善PVDF膜性能的有效方法，具有极好的实用开发价值。而且利用PVDF／PS共混可以基本不影响膜的疏水性。关键词：直接接触式膜蒸馏，传递过程，PVDF微孔膜，PVDF／PS共混微孔膜一II—!!室垡三盔堂堕主堂焦堡壅一．一PreparalionofHydrophobicPVDFMicro-porousMembranesandMe

7、chanismStudyofMembraneDistillationAbstractMembranedistillation(MD)，whichhasbeerappliedtopurificationofwaterandconcentrationofthermallylabilesubstances，iSaninnovativemembraneseparationtechnique．Toinvestigatethemechanismandful'thcrimprove