改性超疏水聚丙烯中空纤维膜及其在膜蒸馏中的应用

摘要

本文用聚丙烯中空纤维膜为基材，在其表面涂覆一层多孔的超疏水涂层，将聚丙烯中空纤维膜改性为超疏水中空纤维膜。本文旨在寻找一种成本低廉，操作简单可行的方法来制备超疏水聚丙烯中空纤维膜。
　　利用APS/TEOS的不同比例，制备出不同尺寸的二氧化硅颗粒。并通过透射电子显微镜(TEM)观察其粒径大小。然后将聚丙烯颗粒加入到二甲苯溶液中溶解后，加入二氧化硅颗粒用溶胶-凝胶法制得溶胶，加入非溶剂2-丁酮，在相分离的作用下，将溶胶涂覆与聚丙烯中空纤维膜的表面。利用聚丙烯溶液在表面形成的网状结构，将二氧化硅颗粒附着于膜的表面，以此来增加膜的表面粗糙度。最后用1H,1H，2H，2H-全氟辛基三乙氧基硅烷(POTS)修饰涂覆后的聚丙烯中空纤维膜，进过修饰后的聚丙烯中空纤维膜的表面自由能降低，然后得到接触角为158°的超疏水聚丙烯中空纤维膜。
　　对改性后的聚丙烯中空纤维膜进行扫描电镜(SEM)和原子力显微镜的(AFM)测试观察，发现膜表面的涂层为多孔连续的涂层，并且相比较原膜，改性后的膜表面的粗糙度有了很大的提高。通过XPS和傅里叶红外光谱(FT-IR)的测试，发现POTS和二氧化硅成功的接枝在膜表面，有效的增加了粗糙度和降低了表面能。同时，讨论了二氧化硅颗粒的用量、聚丙烯颗粒用量、涂覆次数、MEK用量等方面对聚丙烯中空纤维膜的超疏水性能影响，从而确定在聚丙烯中空纤维膜超疏水改性的最佳条件。
　　对改性后的超疏水聚丙烯中空纤维膜进行膜蒸馏的实验。利用压汞法测定改性后超疏水聚丙烯中空纤维膜的平均孔径和孔隙率。改性后膜的平均孔径有所下降，孔隙率较原膜相比，有所提高，说明超疏水涂层是多孔的。测定不同改性膜在3.5wt％NaCl溶液中的通量和截留率，得出改性后膜通量较原膜有所上升，同时截留率提高到99.9％。并且研究讨论了NaCl溶液温度、NaCl溶液浓度、真空度等条件变化对改性超疏水聚丙烯中空纤维膜在膜蒸馏中的通量和截留率的变化。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 引言

1．2 超疏水的理论研究及模型

1．2．1 粗糙度及表面自由能

1．2．2 杨氏(Young’s)方程式

1．2．3 Wenzel’s方程

1．2．4 Cassie-Baxter’s方程

1．2．5 Cassie状态与Wenzel状态之间的过渡状态

1．3 超疏水表面的合成制备方法

1．3．1 电化学沉积法

1．3．2 静电纺丝法

1．3．3 湿化学反应法

1．3．4 相分离法

1．3．5 层层自组装法

1．3．6 等离子体处理

1．3．7 溶液浸泡法

1．3．8 溶胶-凝胶法

1．4 超疏水表面的应用

1．4．1 超疏水表面在纺织领域的应用

1．4．2 超疏水表面在交通运输领域的应用

1．4．3 超疏水表面在防腐蚀领域的应用

1．4．4 超疏水表面在其他领域的应用

1．5 制备超疏水表面存在的问题和发展趋势

1．5．1 存在的问题

1．5．2 超疏水表面的发展趋势

1．6 膜蒸馏的概述

1．7 膜蒸馏的种类

1．7．1 直接接触膜蒸馏(DCMD)

1．7．2 气隙膜蒸馏(AGMD)

1．7．3 气扫膜蒸馏(SGMD)

1．7．4 真空膜蒸馏(VMD)

1．8 研究目的及内容

第二章 聚丙烯超疏水中空纤维膜的制备

2．1 实验材料及实验仪器

2．2 聚丙烯中空纤维膜的超疏水改性

2．2．1 溶胶-凝胶法制备二氧化硅(SiO2)颗粒

2．2．2 二氧化硅涂覆溶胶的制备

2．2．3 聚丙烯中空纤维膜的改性

2．2．4 修饰剂修饰改性后的聚丙烯中空纤维膜

2．3 聚丙烯中空纤维膜超疏水改性后的测试与表征

2．3．1 接触角的测量

2．3．2 表面形貌的观察

2．3．3 红外和透射电子显微镜分析

2．3．4 X射线光电子能谱仪分析

2．3．5 气体通量的测定

2．4 改性超疏水聚丙烯中空纤维膜的结果分析

2．4．1 二氧化硅颗粒大小的表征

2．4．2 膜表面分子结构和化学组成的分析

2．4．3 影响膜超疏水性的因素

2．5 膜表面形貌结构

2．5．1 SEM观察改性后膜的表面形貌

2．5．2 原子力显微镜(AFM)观察改性后膜的表面形貌

2．6 本章结论

第三章 改性超疏水聚丙烯中空纤维膜在膜蒸馏中的应用

3．1 引言

3．2 改性超疏水聚丙烯中空纤维膜的膜蒸馏实验

3．2．1 实验仪器及药品

3．2．2 孔隙率和平均孔径的测定

3．2．3 实验装置

3．2．4 实验步骤

3．3 膜蒸馏的结果与分析

3．3．1 改性后膜的孔隙率和平均孔径变化

3．3．2 改性后超疏水膜对膜蒸馏的影响

3．3．3 NaCl溶液温度在膜蒸馏中的影响

3．3．4 NaCl溶液浓度在膜蒸馏中的影响

3．3．5 真空度在膜蒸馏中的影响

3．4 本章结论

第四章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢