毛细力学在超亲水膜分离过程中的应用及力学模型

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1、万方数据第42卷第10期2014年10月华南理工大学学报(自然科学版)JoumalofSoutllCllinaUniVersityofTechn0109y(NaturalScjenceEdition)V01．42No．10october2014文章编号：1000-565x(2014)10一0082．08毛细力学在超亲水膜分离过程中的应用及力学模型木袁腾1陈卓2刘文济1周显宏3涂伟萍1王锋”(1．华南理工大学化学与化工学院，广东广州510640；2．华南理工大学轻工与食品学院，广东广州510640；3．东莞理工学院

2、化学与环境工程学院，广东东莞523808)摘要：目前基于特殊润湿性的油水分离膜方面的研究很少涉及到膜分离过程中相关动力学过程的考察以及量化计算．文中运用毛细力学的思想考察超亲水膜分离过程的相关物理量，将基于特殊润湿性的膜材料的膜孔归类为毛细管孔道，在此基础上建立数学模型，对超亲水膜分离油水混合物中的受力情况进行了详细分析；从表面张力的角度计算分析了空气中超亲水超亲油膜在水下超疏油的原理；从毛细力学的角度对膜分离过程中的毛细流动速率、毛细管总渗透速率、膜通量以及临界穿透压力等进行了详细的计算，并通过实验进行了检验；

3、在此基础上初步从毛细力学角度探讨了超亲水及水下超疏油分离膜的分离机理．关键词：毛细力学；超亲水膜；毛细流动；膜分离；力学模型；定量计算；分离机理中图分类号：TB381；TQ208．8doi：10．3969／j．issn．1000-565x．2014．10．014含油污水是一类重要的污染源，广泛来源于石油、化工、钢铁、焦化、煤气发生站、机械制造和食品加工等工业．2010年墨西哥湾漏油事故发生后，更是爆发了含油废水处理研究的热潮．根据分散相的尺寸，可将含油废水分为浮油(粒径>100斗m)、分散油(粒径为10～100阻

4、m)、乳化油(粒径<10斗m)和溶解油(粒径为纳米级)4类．膜分离对于处理油水混合物具有巨大的潜力，传统膜按孔径主要分为反渗透膜、超滤膜、微滤膜等．含油污水中油的存在状态是选择膜的首要依据：若以浮油和分散油为主，则一般选用孑L径在10一100斗m的微孔膜；若是乳化状态，则选用孔径在1斗m以下的微孔膜；若是溶解油，则必须选用超滤膜或反渗透膜¨‘2J．基于特殊润湿性的油水分离薄膜分为超疏水超亲油膜和超亲水超疏油膜两种旧。9j，当油水混合物接触疏水亲油膜时，油滴迅速在薄膜表面铺展并渗透，而由于膜的超憎水性，水一直留在膜

5、的表面无法渗透下去，即所谓的Oil-Removing法．对于这种膜，油滴以及其他杂质很容易大量不可逆地被吸附在膜表面上，膜污染严重，通量衰减快，清洗过程中乳化油滴易在膜表面聚结铺展，造成膜长期重复使用性差以及二次污染．有鉴于此，人们采用了相反的思路，制备出超亲水超疏油膜¨0。14J，即所谓的Wate卜Removing法，该膜具有空气中超双疏、水中超亲水超疏油性质，当含油废水接触膜表面时，在水的刺激下膜表面发生自组装，由超疏水变为超亲水，从而水可以仅在重力和毛细力作用下源源不断地往下渗透，而表面始终保持超疏油性，油

6、一直留收稿日期：2014—05一08。基金项目：国家自然科学基金资助项目(50903031)；广州市国际科技交流与合作专项(2012J5100043)；华南理工大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2013zM0072)；广东省绿色化学产品技术重点实验室开放基金资助项目(GC2012叭)作者简介：袁腾(1987一)，男，博士生，主要从事膜技术及含油废水处理研究．E—mail：y．teng@mail．scut．edu．cn十通信作者：王锋(1979一)，男，博士，主要从事功能性聚合物的合成与改性研究．E-ma

7、il：fengwang@scut．edu．cn万方数据第10期袁腾等：毛细力学在超亲水膜分离过程中的应用及力学模型83在表面，从而达到油水分离的效果，另外，由于该膜在空气及水中对油的接触角均大于1500，并且表现出极低的粘附力，滚动接触角仅2～3。，有效防止了油滴的粘附，油始终无法污染膜表面，是一种真正的抗污染、低能耗、长寿命、高效率的分离膜，从而成为未来油水分离膜的主要发展方向．目前对于特殊润湿性膜的研究已取得了可喜的成绩，其微纳复合结构也得到了人们的认可，但是相关理论的发展并不十分完善，尤其是量化的计算．文中

8、从数学模型和毛细动力学的角度分析微纳复合结构网膜毛细管中的相关力学性质，对其中的相关变量进行理论定量计算，从而对膜的制备、相关实验条件的设计以及膜操作条件的设计等进行指导，并对实验值进行验证，试图从这个角度解释超亲水及水下超疏油油水分离膜的分离机理．1数学模型通常将内径小于1mm的细管称为毛细管．含有细微孔隙的物体与液体接触时，使该液体沿孑L隙上升、渗透或下降的现象称为毛