Janus型膜蒸馏膜的制备与性能研究

作     者：张嘉辉 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王志宁

授予年度：2021年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：全疏凹凸棒石 Janus膜 耐润湿 抗污染 膜蒸馏 

摘      要：膜蒸馏工艺由于其在高盐水淡化、废水回收方面具有独特的优势,近年来引起人们越来越多的关注。膜蒸馏（MD）是一种高效的膜分离工艺,膜蒸馏过程由微孔疏水膜上的温度和蒸汽压梯度驱动,通常只允许蒸汽进入冷侧。然而在处理含有疏水性（油污等）和两亲性（表面活性剂等）污染物的污水时,传统疏水膜的润湿和污染问题严重阻碍了膜蒸馏工艺的广泛应用。因此,开发新型抗污染、耐润湿的膜蒸馏膜至关重要。本文针对膜蒸馏过程中的膜污染和润湿等瓶颈问题,利用凹凸棒石进行氟化改性,得到功能化的全疏凹凸棒石,结合喷涂技术、多巴胺粘附制备得到具有耐润湿、抗污染及良好稳定性的两面具有不同润湿性质的膜（Janus膜）。具体研究内容如下:Janus膜两侧处具有不对称性,充分利用这一特性可以设计出兼具防污和耐润湿性的膜蒸馏膜。低成本且容易全疏改性的材料是构筑全疏层为研究重点。凹凸棒石（PAL）具有棒状结构、较大的比表面积、丰富的孔道结构和空隙率,其结构特征赋予了易全疏改性以及构建可重入结构的特点,材料上的纳米孔道保证了水分子的传输,因此凹凸棒石是制备膜蒸馏膜全疏层的理想材料。基于此,本研究利用多巴胺修饰凹凸棒石,在棒状凹凸棒石表面构建了分散的球状多巴胺凸起,从而获得了狼牙棒状的多级结构复合材料。通过氟烷基硅烷对凹凸棒石进行氟化改性,制备得到全疏凹凸棒石材料。经透射电子显微镜（TEM）表征,发现改性表面成功出现球形凸起。利用X-射线光电子能谱（XPS）、能量色散X射线光谱（EDX）等分析改性后纳米材料,证明改性材料表面含有F、Si等元素。傅立叶变换红外光谱（ATR-FTIR）证明了改性表面被修饰了Si-O、C-F、N-H等基团。这些数据说明凹凸棒石的结构和表面均被成功改性,实现了全疏功能。基于全疏的凹凸棒石,进一步构建Janus型的膜蒸馏膜。在聚四氟乙烯/聚三苯二甲酸酯（PTFE/PET）商品膜表面沉积多巴胺（DA）构建亲水层,另一侧喷涂超疏凹凸棒石构建全疏层,由此制得Janus膜。制备得到的Janus全疏侧水接触角为163.9°;亲水侧水接触角85.8°,水下矿物油接触角为157.2°。Janus膜两侧不同的亲疏性有利于在膜蒸馏过程中提升耐润湿和抗污染性能。在直接接触式膜蒸馏（DCMD）实验条件下,以实验制备得到的Janus膜处理含十二烷基硫酸钠（SDS）和TWEEN 80等不同类型表面活性剂微乳液的污水,Janus膜均表现出较高的截盐性能（盐的去除率约为100%）和优异的稳定性（可稳定运行超过50小时）,证明膜具有较好的耐润湿和抗污性。综上,本研究采用具有狼牙棒状的氟化凹凸棒石在膜蒸馏膜表面成功构筑了全疏层,并实现了具有显著不对称润湿性的Janus型膜的设计制备。在膜蒸馏操作中,凹凸棒石Janus膜蒸馏膜展现出良好的稳定性、耐润湿和抗污染性能,为含油高盐废水的处理提供了一种新的思路,推动了膜分离和水处理领域的发展。