面向膜蒸馏过程的高性能聚全氟乙丙烯中空纤维膜结构设计与性能研究

Membrane Distillation（MD）technology is considered as the effective complementary and replaceable technology of Reverse Osmosis (RO) owing to the advantages including high rejection,low energy consumption and low operating pressure.And the treatment of the high concentration salt water is the particular reason. However, the primal problems limiting the development of MD is not only the exploration of membrane which specifically orients the MD technology but also the control of membrane wetting and energy utilization. The strong hydrophobicity and excellent chemical stability makes poly(tetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene)(FEP) be the prime materials for MD. Our project aims to fabricate FEP hollow fiber membrane which specifically orients MD process. FEP acts as the matrix phase while the interfacial pore-forming agent as the dispersed phase. The interfacial pore-forming agent includes the nano-submicron inorganic and organic particles after hydrophobic treatment. Melt spinning-stretching method was utilized to fabricated FEP hollow fiber membranes with multi pore structures (interfacial pore, dissolve pore, structure pore and so on). The high performance FEP hollow fiber membrane exhibits strong hydrophobicity, high porosity, high mechanical strength, excellent environmental endurance and anti-fouling. The better membrane module structure and operating parameter would be obtained by the investigation on the process and mechanism of FEP hollow fiber membrane Vacuum Membrane Distillation (VMD). The mass transfer model of FEP hollow fiber membrane in VMD process would be preliminary established. This project would provide a new method of developing high performance membrane material which orients MD process specifically.

膜蒸馏技术由于具有截留率高、能耗低、操作压力小等优点，特别是可高效处理高浓度盐水，被认为是反渗透技术的有效补充和可替代技术。目前,膜蒸馏规模化工业应用需解决的主要问题是面向膜蒸馏过程的膜材料的开发和膜蒸馏过程中膜润湿和热量利用的控制。聚全氟乙丙烯（FEP）由于其强疏水性和突出的化学稳定性成为理想的膜蒸馏用膜材料。本项目以FEP为成膜基质相，以与基质相部分相容的含氟聚合物、经疏水处理的纳米-亚微米级无机物、有机物等组成的界面致孔剂为分散相，采用熔融纺丝-拉伸界面致孔技术研制具有多重微孔（界面孔、溶出孔、结构孔等）结构特征的、面向膜蒸馏过程的高性能（强疏水、高孔隙率、高强度、耐环境、抗污染）FEP中空纤维膜。通过对FEP中空纤维膜减压膜蒸馏处理反渗透浓盐水过程与机理的研究，得到较优组件结构和运行工艺，建立FEP中空纤维膜减压膜蒸馏过程的传质模型,为开发面向膜蒸馏过程的高性能膜材料提供新方法。

本项目根据热力学相容性理论和聚合物共混界面相分离原理，以全氟聚合物-聚全氟乙丙烯（FEP）为成膜基质相，以与基质相部分相容的含氟聚合物（聚偏氟乙烯等）、经疏水处理的纳米-亚微米级无机物（如二氧化硅）等组成的界面致孔剂为分散相，采用熔融纺丝-拉伸界面致孔技术，研制具有多重微孔结构特征的、面向膜蒸馏过程的高性能FEP 中空纤维膜。项目研究了FEP多相成膜体系的组成、纺丝工艺参数对FEP初生中空纤维膜多重微孔构建的影响；研究了后拉伸条件（拉伸倍数、拉伸温度等）对FEP中空纤维膜聚集态结构（FEP结晶、取向等）与性能（孔隙率、孔径大小、疏水性能、液体渗透压等）的影响。将制备的FEP中空纤维膜用于减压膜蒸馏（VMD）过程，膜蒸馏通量和脱盐率均取得较好效果。在项目执行过程中，还采用静电纺丝法研究制备了比表面积大、孔径分布窄、孔隙率高的FEP纳米纤维膜和另一种全氟聚合物-聚四氟乙烯（PTFE）纳米纤维膜，并以PTFE纳米纤维膜为催化剂载体负载具有光催化功能ZnO制得PTFE/ZnO光催化纳米纤维膜，将其应用于膜蒸馏和光降解染料的耦合过程，取得很好的脱盐和自清洁效果。.本项目执行期间，就上述有关研究内容已发表学术论文9篇(其中SCI收录7篇，Ei收录1篇)，申请发明专利6项，获授权发明专利1项，培养硕士研究生6名，项目负责人黄庆林获中国科协“青年人才托举工程”项目连续三年资助（2016-2018），入选2017年天津市“131”创新型人才培养工程第二层次人选，2017年第四批天津市创新人才推进计划（青年科技优秀人才）。黄庆林博士学位论文“全氟聚合物中空纤维膜微孔结构设计与性能研究”获2015年天津市优秀博士学位论文。指导研究生获得2016年“中国化学纤维工业协会 恒逸基金”优秀学术论文优秀奖。在项目研究过程中，组织、参与学术会议交流10余次，协办2016年“第十一届京津冀研究生膜技术论坛”，获邀参加2015年中科院化学所青促会—中科院京津高校膜材料与膜技术论坛并做大会报告，参与2016年第九届全国膜与膜过程学术报告会和2017年全国高分子学术论文报告会等。