蒸汽诱导法制备低热导率、高强度的膜蒸馏用疏水膜

膜蒸馏作为一种高效的分离技术，其最值得期待的应用是作为海水淡化工艺中反渗透浓水的深度处理。高通量、低导热且性能稳定的膜是膜蒸馏技术的关键。本项目提出将低热导率、高强度的聚合物- - 聚砜和聚苯乙烯用蒸汽诱导的方法分别制成疏水膜，并用于膜蒸馏过程。首先研究疏水表面的形成机理，后用两种制膜路线，即一步法和两步法分别形成疏水膜。研究侧重于从热力学和动力学两方面研究膜液的相分离机理，采用绘制三元相图、测定气液相物质的传质速率、在线观察膜液的相分离过程、观察膜结构、并测定元素分布等手段，建立成膜条件-膜结构-膜性能之间的关系。优化制膜参数，得到高热效率、截留率和通量且性能稳定的膜蒸馏用膜。同时，建立一套评价膜蒸馏用膜结构和膜蒸馏性能的指标体系，并提出各自的测定和计算方法。

目前膜蒸馏技术还未能大规模工业应用，主要是因为在疏水膜的膜通量低、亲水化渗漏、热效率低等一系列膜蒸馏环节上均有待于提高。本课题主要在以下三个方面开展研究工作。.（1）首先研究了蒸汽诱导法（VIPS）制备疏水性的聚偏氟乙烯（PVDF）膜和聚砜（PSf），探讨聚合物浓度、添加剂种类及含量、蒸汽湿度、空气中暴露时间等对膜结构的影响机理，并得到最佳制膜条件，所制得的膜主要用于直接接触式膜蒸馏（DCMD）过程。建立了成膜条件-膜面结构-疏水性之间的关系，即对高温和低聚合物浓度体系来说，膜液更易跨过旋节线而发生旋节线相分离，形成具有双连续的网状结构，且网节点上带有许多微纳米颗粒的表面，使膜表面具有更强的疏水性，甚至达到超疏水。尝试采用共混和复合的方法制备低热导率的PSf膜，PSf/SiO2复合膜的热导率有小幅降低。.（2）随后研究了平板膜和中空纤维膜的膜污染和亲水化机理，膜材料种类及结构、操作条件（进料温度和流速）对亲水化的影响，如进料液温度越高，热侧进料液的盐浓度越高，溶液表面张力都会下降，膜的亲水化更严重；膜如果有自清洁能力，耐污染和抗亲水化的能力大大提高；聚四氟乙烯（PTFE）比PVDF抗亲水性好。.（3）最后通过实验和数学模拟两种方法研究了DCMD热效率的影响因素，包括膜结构和操作参数。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，综合考虑DCMD过程通量及截留性能，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DCMD热效率影响很小。提高热效率最有效的方法是回收汽化潜热。.本课题组在对膜污染、膜亲水化和热量回收充分研究之后，提出了理想膜蒸馏用膜应该具有的微观结构，除了膜要有超疏水性外，还应该具有其他五个方面的特征：① 薄，通量大；②膜断面呈海面状结构，机械强度高，疏水性好；③膜丝尺寸合适，能做成冷、热流体流量接近的膜组件，以利于热泵回收热量；④膜壁面有隔热层，热损失少；⑤膜面有微米级颗粒，超疏水，具有自清洁功能，并减少膜亲水化的可能；⑥微米级颗粒表面有一亲水层，减少油类污染物的吸附。