正滲透膜的制備與應(yīng)用.pdf

1、新穎的正滲透(FO)技術(shù)具有低能耗、抗污染、零排放等優(yōu)點(diǎn),有望替代反滲透成為下一代的海水淡化技術(shù)。目前在滲透能利用方面,FO技術(shù)有了進(jìn)一步發(fā)展。同時(shí)在處理復(fù)雜,艱巨的廢水方面,FO技術(shù)得到了較多的應(yīng)用。但目前FO技術(shù)距離大規(guī)模應(yīng)用還存在膜的制備,驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的選擇和開發(fā)、濃差極化、溶質(zhì)的反向滲透和膜污染等問題。
　　在膜的制備方面,高性能的正滲透膜應(yīng)具備較低的結(jié)構(gòu)參數(shù),因此本文從基膜的結(jié)構(gòu)和材料兩方面入手降低膜的結(jié)構(gòu)參數(shù),制備出具有較

2、高FO性能的界面聚合中空纖維和平板膜,對(duì)基膜和界面聚合膜的形貌和性能進(jìn)行了詳細(xì)的表征,并與目前報(bào)道的正滲透膜進(jìn)行性能比較。
　　首先通過調(diào)節(jié)制膜參數(shù),制備了系列不同結(jié)構(gòu)和膜厚的聚砜(PSF)中空纖維膜。然后通過界面聚合法在PSF基膜上成功制備了中空纖維FO膜。結(jié)果顯示調(diào)節(jié)空氣段距離、芯液和高分子流量主要改變了中空纖維FO膜厚度,并且厚度是影響FO性能的主要因素之一。當(dāng)膜的厚度為0.08mm,滲透效率為0.53,FO性能處于較高的水

3、平,但機(jī)械性能不足;當(dāng)膜的厚度為0.129 mm,斷裂負(fù)載為2.48 N,滲透效率為0.42,能夠滿足應(yīng)用的要求。
　　其次通過共混法制備親水性的PSF/磺化聚醚醚酮(SPEEK)界面聚合基膜,再進(jìn)行界面聚合。SPEEK的加入雖然會(huì)造成基膜的機(jī)械性能的下降和界面聚合膜純水通量的降低,但卻顯著提高了FO膜的孔隙率和親水性,降低了結(jié)構(gòu)參數(shù)S值(1.34×10-4 m),其值遠(yuǎn)低于商業(yè)化的三醋酸纖維素(CTA)膜(S值為4.27×10-

4、4 m)。另外基膜親水性的提高,使得脫水后的FO膜可以通過簡(jiǎn)單的去離子水浸泡恢復(fù)性能,避免乙醇等有機(jī)溶劑浸泡造成的損害。
　　在驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的選擇方面,驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的正滲透性能不僅與溶質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān),而且還與膜的性質(zhì)相關(guān)。首先研究了具有樹枝狀結(jié)構(gòu)的乙二胺四乙酸(EDTA)/乙二醇雙(2-氨基乙基醚)四乙酸(EGTA)/二乙基三胺五乙酸(DTPA)大尺寸分子在中空纖維膜中不同膜方向下的FO性能,并與棒狀的NaCl和乙二胺(EDA)相比較,

5、考察驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的滲透壓、水合半徑、擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)對(duì)正滲透性能的影響。其次選用商業(yè)化的反滲透(RO)型和納濾(NF)型界面聚合復(fù)合(TFC)膜為評(píng)價(jià)介質(zhì),以CTA膜為參照,研究NaCl、Na2SO4和MgCl2驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)在不同膜方向時(shí)FO性能,以確定膜的結(jié)構(gòu)、皮層孔徑和電性對(duì)溶質(zhì)的正滲透性能的影響,并結(jié)合模型分析,為驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的選擇提供一定的參考。
　　研究發(fā)現(xiàn)樹枝狀有機(jī)物EDTA/EGTA/DTPA相對(duì)于NaCl和乙二胺(EDA)具有較

6、高的水溶解度和解離系數(shù),相同濃度下能夠產(chǎn)生較高的滲透壓。同時(shí)較大的空間結(jié)構(gòu)使得溶質(zhì)的反向滲透量顯著降低,并且通過納濾(NF)或者膜蒸餾(MD)過程可以進(jìn)行有效的回收。進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)和模型的分析發(fā)現(xiàn):溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)和滲透系數(shù)是決定FO性能的兩個(gè)重要參數(shù),并且在不同膜方向時(shí)的作用效果不同,AL-FS方向,驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的FO性能主要受到溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)的影響,因此具有較低擴(kuò)散系數(shù)的 EDTA/EGTA/DTPA在膜的多孔支撐層內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重的ICP,滲

7、透壓效率遠(yuǎn)低于小分子的NaCl/EDA;而AL-DS方向,驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的正滲透性能受到溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)和滲透系數(shù)的共同作用的影響,兩種作用效果相互平衡和抵消,造成EDTA/EGTA/DTPA的滲透壓效率略大于NaCl/EDA。
　　膜的性質(zhì)也對(duì)溶質(zhì)的選擇有一定的影響:與商業(yè)化的CTA膜不同,傳統(tǒng)TFC膜的無紡布層極大增加了膜的非對(duì)稱性,影響溶質(zhì)的自由擴(kuò)散,不利于FO過程。另外不僅膜皮層的孔徑大小,表面的電性也會(huì)影響到溶質(zhì)的反向滲透:從溶

8、質(zhì)的滲透系數(shù)(B值)的角度看,三種膜表面都為負(fù)電荷,因此Na2SO4的反向滲透系數(shù)最小;FO過程中,表面電勢(shì)較弱或者孔徑較小的CTA和RO膜對(duì)離子的截留主要為篩分作用,而表面電勢(shì)較強(qiáng)并且孔徑較為疏松的NF膜,對(duì)離子的截留主要為電荷效應(yīng);另外相對(duì)于表面電勢(shì)較弱的CTA膜,由于道南效應(yīng),TFC膜對(duì)MgCl2不同膜方向時(shí)的B值不同。最后為RO、NF型TFC膜建立了合適的水通量和溶質(zhì)反向滲透模型,模型值與實(shí)驗(yàn)值能夠較好的吻合。因此對(duì)于驅(qū)動(dòng)溶液的