有机硅改性堇青石陶瓷膜的制备及脱盐性能研究

作     者：代雪 

作者单位：北京工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韦奇

授予年度：2022年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：膜蒸馏脱盐 陶瓷膜 疏水性 脱盐稳定性 多孔SiO2@PDMS层 喷涂 

摘      要：海水淡化技术生产淡水对人类生活和社会经济有重要意义。膜蒸馏(MD)是一种很有前景的海水淡化技术。氟硅烷(FAS)修饰的陶瓷膜疏水性较差,在长期膜蒸馏(MD)脱盐中存在膜润湿和盐截留率下降等问题。本文以提高陶瓷膜的疏水稳定性和脱盐稳定性为研究目标,分别采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)浸泡和陶瓷膜顶部构筑多孔SiO@PDMS疏水保护层两种方式对陶瓷膜进行疏水改性。利用X射线衍射、泡点法孔隙分析、扫描电子显微镜、气体渗透装置、光学接触角测量仪、光学轮廓仪、固体核磁共振谱等多种手段对多孔堇青石陶瓷膜的物相组成、孔结构、表面形貌、氮气渗透性、表面润湿性能、表面粗糙度以及化学结构等进行表征,并对陶瓷膜的脱盐性能和长期稳定性进行研究。使用干压成型-固相烧结法制备多孔堇青石陶瓷膜,陶瓷膜的孔径随造孔剂含量的增加和球磨时间的缩短而逐渐增大。当聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA,10μm)添加量为40 wt%、浆料球磨时间为16 h时,所得到的多孔堇青石陶瓷膜平均孔径达0.364μm。采用PDMS浸泡的方式对多孔堇青石陶瓷膜进行疏水改性,这种改性方法得到的陶瓷膜水接触角只有130°左右且液体进入压力(LEP)低于100k Pa。浸泡时间对陶瓷膜的水接触角和氮气渗透性的影响不大。PDMS溶液浓度仅对改性陶瓷膜的氮气渗透性有明显影响。掺杂SiO纳米颗粒不仅未能提高陶瓷膜的疏水性,还导致氮气渗透性大幅下降,不能满足膜蒸馏脱盐的使用要求,更无法提高陶瓷膜脱盐稳定性。采用两步喷涂法向FAS修饰的多孔堇青石陶瓷膜表面分别喷涂NaCl溶液和SiO@PDMS溶液,可成功地在陶瓷膜顶部制备出稳定的多孔SiO@PDMS保护层。综合评估多孔PDMS层的完整性和氮气渗透性得出最佳喷涂工艺参数为:NaCl溶液喷涂时间为15 s,喷涂距离为20 cm;PDMS溶液喷涂时间为15 s,喷涂距离为10 cm。SiO掺杂使多孔PDMS层形成了疏松多孔的结构并提高了疏水性。当SiO与PDMS质量比为0.30时(N15s-P15s-0.30S),NaCl模板溶解后留下空腔结构,降低了气体传输阻力;膜表面水接触角达155.8°,表面粗糙度从4.156μm增加至7.582μm,表面自由能降低至0.22 m N m,LEP值增加至165k Pa;除此之外,多孔SiO@PDMS疏水保护层还表现出良好的耐刮擦和抗化学腐蚀性。对N15s-P15s-0.30S膜进行脱盐性能研究,当料液温度为80℃,料液流速为300 m L/min,料液浓度为3.5 wt%时,陶瓷膜水通量为8.15 kg/mh,脱盐率为99.99%。长时间脱盐实验表明,FAS修饰的陶瓷膜脱盐9 h后渗透侧发生盐水泄露现象,脱盐率下降至48%;而N15s-P15s-0.30S膜可连续脱盐300 h以上并保持稳定的水通量(8.10 kg/mh)和脱盐率(99.99%)。多孔SiO@PDMS疏水保护层通过避免进料液对陶瓷膜的直接接触来防止底部的陶瓷膜被膜湿润,显著提高了陶瓷膜的脱盐稳定性。脱盐300 h后陶瓷膜表面发生了膜污染,膜表面对水的接触角下降至128°,氮气渗透性降低。对N15s-P15s-0.30S膜进行天然海水脱盐实验。使用仅过滤的海水脱盐时,脱盐率99.99%,海水中Ca、Mg极易形成难溶污染物并阻塞陶瓷膜孔道,导致水通量和接触角随着脱盐的进行迅速下降。采用稀盐酸清洗可有效去除垢层并恢复水通量。使用去除硬度且调节pH值的海水进行脱盐,脱盐率99.99%,海水浓缩后在膜表面析出NaCl结晶阻塞部分孔道,导致水通量和接触角随着脱盐的进行缓慢下降。清水冲洗可有效恢复水通量、氮气渗透性和水接触角。这表明在对天然海水进行脱盐之前,去除海水的硬度并调节pH值能明显抑制结垢膜污染物的产生。