超疏水聚酰亚胺纤维膜的制备及其膜蒸馏应用实验研究

摘要

膜蒸馏（MD）作为一种热驱动的新型膜分离技术，在海水淡化、废水处理和浓缩减排等方面都有着广泛的应用前景，但是传统的膜蒸馏用膜，如聚偏氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PTFE）和聚丙烯（PP）等，都存在膜通量较低、疏水效果差、膜孔容易被堵塞和膜表面容易被润湿等问题。因此，开发出一种膜通量大、疏水性能好、盐分截留率高且运行稳定的膜蒸馏用膜，对膜蒸馏工业化起着极为重要的推进作用。
　　本论文以双重仿生超疏水化的改性方法为核心，结合静电纺丝制膜技术，制备出超疏水聚酰亚胺纳米纤维膜作为膜蒸馏用膜，应用于直接接触式膜蒸馏（DCMD）实验，研究不同实验条件下膜蒸馏效能，并对改性后聚酰亚胺（PI）纤维膜进行应用潜能分析。
　　膜蒸馏用膜的微孔结构和疏水性能决定了膜通量和盐分截留率的大小，目前传统用膜存在孔隙率低、孔道曲折等缺陷，因此考虑使用静电纺丝技术来制备纤维直径小、孔隙率高、比表面积大且纤维交联互通的基膜；另外，对于基膜的疏水改性是延缓蒸馏过程中发生膜润湿的有效措施之一，目前获得疏水膜结构的方法有原位方法和后处理法，本文采用的是在基膜上进行后处理，首先利用多巴胺（DA）与聚乙烯亚胺（PEI）在水中能够发生交联反应，形成一层仿生物胶的带电层（C-PDA/PEI），在不破坏PI纤维膜表面的同时构建了正电荷粘性层；然后将带有负电的二氧化硅纳米颗粒（SiO2 NPs）通过静电吸附组装到纳米纤维表面，重新构造膜表面结构，加大了纤维表面的粗糙度；最后通过氟化来降低纤维膜的表面能，形成仿荷叶表面的超疏水聚酰亚胺多孔纤维膜（152°）。
　　将改性后的 PI膜进行了膜蒸馏测试，与改性各阶段的 PI膜和不同孔径的PTFE膜进行了对比，可以看出改性后的 PI膜不但在稳定性上占据优势，而且膜通量和盐分截留率也比相同孔径 PTFE膜高；为了测试膜的抗污染性能，分别将改性后的PI膜应用于处理含有表面活性剂（SDBS）、腐殖酸（HA）、甲基蓝染料作为有机污染物代表的NaCl盐水中，记录实验过程中膜通量和电导率随时间的变化情况，证实了改性后的PI膜具备良好的耐污染性能。
　　接着将改性后的 PI膜进行反渗透（RO）浓水的浓缩减量实验，发现在进料液的体积浓缩到原来的1/4后，还能保持较高的膜通量的盐分截留率，说明改性后的PI膜能够在进料液浓度很高的情况下保证一定的抗污染和自洁性能；最后将改性后的PI膜进行了模拟海水淡化的膜蒸馏实验，对膜蒸馏海水淡化工艺进行技术评价和经济分析，为膜蒸馏工艺在海水淡化中的用膜选择提供了另一种可能。

目录

第1章 绪论

1.1 膜蒸馏背景简述

1.2 膜蒸馏用膜要求

1.3 膜蒸馏用膜的制备

1.4 课题研究的目的和意义

1.5 本课题主要研究内容

第2章：实验材料与方法

2.1 实验试剂和实验仪器

2.2 PI超疏水膜的制备方法

2.3 膜的表征方法

2.4 直接接触式膜蒸馏的实验方法

第3章 聚酰亚胺超疏水纤维膜的制备

3.1 PI基膜的制备

3.2 PI基膜的改性

3.3 膜的表征

3.3 制备条件对PI膜疏水性能的影响

3.4 本章小结

第4章 聚酰亚胺超疏水膜应用于膜蒸馏的效能评价

4.1 PI膜改性各阶段的膜蒸馏对比试验

4.2 PI超疏水膜在膜蒸馏中的性能测试

4.3 不同进料液测试试验

4.4 本章小结

第5章 聚酰亚胺超疏水膜在膜蒸馏中的应用潜能分析

5.1 PI超疏水膜的稳定性研究

5.2 应用于反渗透浓水浓缩减量实验

5.3 应用于海水淡化的技术评价和经济分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢