基于多巴胺改性的亲/疏水复合膜及其膜蒸馏性能

作     者：孙位仕 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：沈飞

授予年度：2018年

学科分类：081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 

主      题：表面改性 膜蒸馏 多巴胺 膜污染 

摘      要：膜蒸馏(membrane distillation,MD)是用多孔疏水膜作为分离介质,以膜两侧的蒸汽压差为传质驱动力的膜分离过程,能够同时实现热和质地传递,可以有效去除溶液中的易挥发组分,而对非挥发性组分理论上达100%地截留。然而,目前膜蒸馏技术尚未能实现大规模的工业化应用,膜通量不高、易被污染甚至润湿是其主要原因。本论文提出单一多巴胺涂覆改性方法,在商业化聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)微孔膜表面构建了一层超薄、多孔且空气中亲水/水下疏油的特殊表面,同时提高了原PTFE膜的真空膜蒸馏(Vacuum membrane distillation,VMD)通量和耐油污染能力。利用多巴胺在含氧和弱碱性条件下能够在任何材料表面氧化自聚的特性,制备出了多巴胺改性的亲/疏水复合膜并对制备过程进行了调控。在真空膜蒸馏测试中,与原PTFE膜的通量值28.8kg/m2.h相比,多巴胺改性膜(0.5DA@PTFE-4)通量值为89.6kg/m2·h,通量增幅达210%(进料液温度为70℃)。原膜和多巴胺改性膜在长达35小时的真空膜蒸馏长时间运行下,结果表明多巴胺改性膜具有较好的稳定性。最后,通过对膜孔是否浸润以及不同亲水材料改性膜的膜蒸馏性能测试研究,推测膜表面亲水化后引入的极性基团,能促进与极性水分子作用,加快蒸汽汽化速率从而提高多巴胺改性膜的通量。基于多巴胺改性膜在空气中亲水和水下疏油的特性,研究了原PTFE膜和多巴胺改性膜(0.5DA@PTFE-4)在真空膜蒸馏过程中处理含500mg/L的矿物油盐水乳液的分离性能。原膜由于表面疏水易与矿物油滴黏附从而使得膜污染严重甚至润湿,而亲水化后的改性膜则表现出了一定的抗油污染能力,在含油盐水乳液中可有效运行长达30小时。