正滲透膜的制備與應用.pdf

1、新穎的正滲透(FO)技術具有低能耗、抗污染、零排放等優(yōu)點,有望替代反滲透成為下一代的海水淡化技術。目前在滲透能利用方面,FO技術有了進一步發(fā)展。同時在處理復雜,艱巨的廢水方面,FO技術得到了較多的應用。但目前FO技術距離大規(guī)模應用還存在膜的制備,驅(qū)動溶質(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具備較低的結構參數(shù),因此本文從基膜的結構和材料兩方面入手降低膜的結構參數(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,對基膜和界面聚合膜的形貌和性能進行了詳細的表征,并與目前報道的正滲透膜進行性能比較。
　　首先通過調(diào)節(jié)制膜參數(shù),制備了系列不同結構和膜厚的聚砜(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,但機械性能不足;當膜的厚度為0.129 mm,斷裂負載為2.48 N,滲透效率為0.42,能夠滿足應用的要求。
　　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,再進行界面聚合。SPEEK的加入雖然會造成基膜的機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,降低了結構參數(shù)S值(1.34×10-4 m),其值遠低于商業(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膜可以通過簡單的去離子水浸泡恢復性能,避免乙醇等有機溶劑浸泡造成的損害。
　　在驅(qū)動溶質(zhì)的選擇方面,驅(qū)動溶質(zhì)的正滲透性能不僅與溶質(zhì)本身的性質(zhì)有關,而且還與膜的性質(zhì)相關。首先研究了具有樹枝狀結構的乙二胺四乙酸(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)動溶質(zhì)的滲透壓、水合半徑、擴散系數(shù)等參數(shù)對正滲透性能的影響。其次選用商業(yè)化的反滲透(RO)型和納濾(NF)型界面聚合復合(TFC)膜為評價介質(zhì),以CTA膜為參照,研究NaCl、Na2SO4和MgCl2驅(qū)動溶質(zhì)在不同膜方向時FO性能,以確定膜的結構、皮層孔徑和電性對溶質(zhì)的正滲透性能的影響,并結合模型分析,為驅(qū)動溶質(zhì)的選擇提供一定的參考。
　　研究發(fā)現(xiàn)樹枝狀有機物EDTA/EGTA/DTPA相對于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。同時較大的空間結構使得溶質(zhì)的反向滲透量顯著降低,并且通過納濾(NF)或者膜蒸餾(MD)過程可以進行有效的回收。進一步通過實驗和模型的分析發(fā)現(xiàn):溶質(zhì)的擴散系數(shù)和滲透系數(shù)是決定FO性能的兩個重要參數(shù),并且在不同膜方向時的作用效果不同,AL-FS方向,驅(qū)動溶質(zhì)的FO性能主要受到溶質(zhì)的擴散系數(shù)的影響,因此具有較低擴散系數(shù)的 EDTA/EGTA/DTPA在膜的多孔支撐層內(nèi)發(fā)生嚴重的ICP,滲

7、透壓效率遠低于小分子的NaCl/EDA;而AL-DS方向,驅(qū)動溶質(zhì)的正滲透性能受到溶質(zhì)的擴散系數(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稱性,影響溶質(zhì)的自由擴散,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,三種膜表面都為負電荷,因此Na2SO4的反向滲透系數(shù)最小;FO過程中,表面電勢較弱或者孔徑較小的CTA和RO膜對離子的截留主要為篩分作用,而表面電勢較強并且孔徑較為疏松的NF膜,對離子的截留主要為電荷效應;另外相對于表面電勢較弱的CTA膜,由于道南效應,TFC膜對MgCl2不同膜方向時的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,模型值與實驗值能夠較好的吻合。因此對于驅(qū)動溶液的