PTFE中空纤维膜超疏水表面构建及膜蒸馏性能调控

Due to the problem of membrane wetting, the hydrophobic polytetrafluoroethylene (PTFE) hollow fiber membrane is chosen as research subject in this study. The superhydrophobic surface of PTFE hollow fiber membrane will be prepared by controlling it’s surface morphological and crystal structures based on the previous study on the preparation of PTFE hollow fiber membrane by paste extrusion- stretching-heating method. Concretely, the effects of process parameters in paste extrusion and stretching on morphological structure and surface roughness will be investigated. Meanwhile, the effect of heating parameter on the degree of crystallinity and surface free energy will be studied. The regulate mechanisms of superhydrophobic surface on PTFE hollow fiber membrane will be clarified. The relationships among the morphological structure, superhydrophobic surface, membrane distillation (MD) property and anti-fouling property will be investigated. This research will not only provide a new idea for investigation of new membrane material, but also clarify the relationship among the preparation technology, structure and MD property of PTFE membrane after intensive study on the preparation and structure of PTFE hollow fiber membrane. Our research will not only establish theoretical principle and technological base in the preparation of PTFE hollow fiber membrane for practical use in MD, but also promote the development of MD technology.

针对膜蒸馏用膜材料易被料液润湿的问题，以疏水性强的聚四氟乙烯（PTFE）中空纤维膜为研究对象，在课题组前期发明的“推压-膨化拉伸-热定型法”制备PTFE中空纤维膜的研究基础上，提出控制表面形态结构和结晶结构的新思路来构建超疏水表面。具体内容包括：研究推压和膨化拉伸工艺参数对膜表面形态结构、粗糙度的逐次影响关系；研究热定型参数对结晶度，继而对表面自由能的影响规律；阐明表面粗糙度和表面自由能对PTFE中空纤维膜超疏水表面的调控机制；明确膜形态结构、超疏水性能与膜蒸馏性能、抗膜污染之间的关系。本项目的开展，不仅能为新型膜材料的研究提供新思路，而且还能通过对PTFE中空纤维膜的制备工艺和结构的深入研究，加深对PTFE膜材料的制备技术、结构形态以及膜蒸馏性能三者之间关系的理解，为制备具有实际应用价值的膜蒸馏用PTFE中空纤维膜奠定理论与技术基础，促进膜蒸馏技术的发展。

针对膜蒸馏用膜材料易被料液润湿的问题，以疏水性强的聚四氟乙烯（PTFE）中空纤维膜为研究对象，采用推压-膨化拉伸-热定型法制备超疏水PTFE中空纤维膜，研究推压和膨化拉伸工艺参数对膜表面形态结构和粗糙度的影响关系，研究膜形态结构、超疏水性能与膜蒸馏性能之间的关系。研究表明：通过挤出、拉伸膨化、烧结等工艺，使膜形成原纤-节点结构，稳定地制备出超疏水PTFE中空纤维膜。拉伸比影响膜丝的孔径，挤出头的尺寸影响膜丝的壁厚。通过分析拉伸温度和拉伸倍数对PTFE中空纤维膜结构和性能的影响得出，拉伸倍数越大，膜孔径和孔隙率越高，膜蒸馏产水通量越大；随着拉伸温度和拉伸倍数的增加，表面粗糙度增大。通过分析烧结定型温度和定型时间对PTFE中空纤维膜结构和性能的影响得出，在较高烧结定型温度下和较长时间的烧结，膜丝结晶度小，膜表面接触角大于150 o，疏水性强，而且高热定型温度和长定型时间可以减小膜丝的热收缩率，提高膜丝拉伸强度。.采用超疏水PTFE中空纤维膜分别对印染反渗透（RO）浓水和垃圾渗沥液RO浓水进行真空膜蒸馏（VMD）处理。结果表明，在VMD处理印染RO浓水的过程中，减小膜丝壁厚，增加膜孔径和提高料液温度能增大产水通量，对产水TDS、CODCr和色度的影响较小，产水TDS、CODCr和色度的去除率均保持在95%以上。在VMD处理垃圾渗沥液RO浓水过程中，其中COD≤100mg/L， BOD5≤30mg/L，NH3-N≤25mg/L，色度（稀释倍数）小于40，电导率≤60μS/cm。浓缩4倍以上水通量显著下降但产水指标均达到GB/8978-1996污水综合排放二级标准。. 本项目通过对PTFE中空纤维膜结构和膜蒸馏性能的深入研究，加深对PTFE膜材料的制备技术、结构形态以及膜蒸馏性能三者之间关系的理解，为制备具有实际应用价值的膜蒸馏用PTFE中空纤维膜奠定理论与技术基础。三年来，本项目研究严格按照计划进行，完成了预定的全部研究内容，取得了预期的结果。本项目共发表了14篇论文，其中SCI 收录7篇，国内核心期刊7篇，授权2项国家发明专利，培养了1 位博士生和10位硕士研究生。