膜蒸馏海水脱盐过程中的膜污染机理研究

Seawater desalination by membrane distillation (MD) technology has the advantages of high pure water output rate, high sea water concentration degree and low cost of resource utilization. It is one of the most promising separation technology in the desalination industry. However, the membrane fouling problem is one of the key bottlenecks that restrict its widely applications in the desalination industry, especially in the high concentrated seawater desalination process. This project plans to use theoretical derivation, numerical simulation and experimental research methods, to investigate the micro-sized heat and mass transfer process near the membrane surface, the influences of the membrane surface characters and the concentrated brine on the membrane fouling processes deeply and systematically. It attempts to make clear the membrane fouling mechanism and kinetics, and construct the mathematic models to enrich and fulfill the basic theories of membrane distillation. This work can provide important theoretical directions in developing new methods and new ways for fouling-resistant membranes and modules, and the process control of the MD fouling. It also provides theoretical supporting and technological guiding for solving the membrane fouling problem in the MD applications, and for promoting the membrane distillation seawater desalination technology and equipment in industrial applications.

膜蒸馏海水淡化具有淡水产出率高、海水浓缩度高以及其资源化利用成本低等优势，是最具应用前景的新型海水淡化技术之一。但是在膜蒸馏海水脱盐过程中，特别是在高浓海水脱盐过程中的膜污染问题一直是制约其在海水淡化产业中广泛应用的关键瓶颈之一。本项目拟运用理论推导、数值模拟和实验测试等研究手段，对微观尺度下膜表面的热质传递现象、膜表面性能和浓海水特性对膜污染生成的影响等展开系统深入的研究，阐明膜污染的形成机理和动力学过程，建立膜污染过程的数学模型，丰富和完善膜蒸馏的基础理论，为高效抗污染膜与膜组件以及膜污染过程控制新技术新方法的研制提供重要理论指导，为膜污染问题的有效解决、推动膜蒸馏海水淡化技术与装备的产业化及应用提供理论支撑与技术指导。

针对膜蒸馏海水淡化过程中的膜污染问题，项目采用理论推导、数值模拟、实验分析等研究手段，从影响膜污染最核心的膜表面特性出发，考察了微观尺度下膜表面的传热传质现象、膜表面特性对膜蒸馏过程及膜污染的影响等，进而建立相关的热质传递模型并阐明膜污染机制；基于理论基础，项目还开发了一系列抗污染型的膜蒸馏分离膜，并设计实验考察了膜的抗污染性能等，为膜蒸馏技术在海水脱盐、工业污水处理等领域的广泛应用提供了技术支撑。项目取得的主要成果和结论如下：.1、在膜蒸馏过程传热传质理论研究方面，建立了膜表面接触角与膜蒸馏传质通量之间的数学关联模型，阐明了超疏水膜表面的接触状态、粗糙度等参数与膜蒸馏传热过程的关联关系，指出膜表面的液固接触状态由膜疏水能力决定，提高膜表面的疏水性可以显著增加MD过程的实际蒸发面积并提高膜的抗污染能力，进而提高膜通量。.2、在膜蒸馏膜抗污染机制研究方面，阐明了膜表面物理化学特性与料液中污染物之间的相互作用是膜污染的关键，例如微米/纳米多层次凹入结构和低表面能的双重结合赋予了PVDF复合膜超疏水和疏油的特性，对含有机物和表面活性剂的高浓度混合盐溶液表现出优异的抗污染和抗润湿性能；以双疏膜为基底、通过Borax的交联络合形成亲水聚合物网络制备的Janus复合膜，其抗有机污染机制在于膜表面的亲水层阻止了有机污染物与膜的直接接触。.3、在高性能抗污染膜开发制备方面，利用表面改性技术制备了同时具有超疏水滑移表面和光热效应功能的太阳能膜蒸馏膜，不仅具有较强抗污染性能，同时还可利用太阳能消除温差极化对膜蒸馏通量的影响；开发了一系列具有超疏水和超疏油特性的仿生双疏膜，包括由纳米颗粒和微米球体构成的多层次粗糙结构仿生膜、具有巢状形貌的高通量双疏膜等，同时还将聚合物水凝胶的亲水性和双疏膜的耐润湿性有机结合，研制出Janus复合膜，在含表面活性剂的油乳化液的高盐废水处理中表现出高分离效率、优异的抗油污染和耐润湿性能。