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基于zif-8材料的超疏水膜构建及膜蒸馏特性研究

基于ZIF-8材料的超疏水膜构建及膜蒸馏特性研究

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作者：曹涵山东大学

学位级别：硕士

工业生产是耗能、耗水大户,在当前“双碳”战略大背景下,工业废水因余热资源丰富而受到了广泛关注。膜蒸馏是一种以低品位热源为驱动力的水处理技术,且理论截留率可达99.9%,在低温高盐工业废水的处理方面具有一定优势。经过几十年的发展... 详细信息

工业生产是耗能、耗水大户,在当前“双碳”战略大背景下,工业废水因余热资源丰富而受到了广泛关注。膜蒸馏是一种以低品位热源为驱动力的水处理技术,且理论截留率可达99.9%,在低温高盐工业废水的处理方面具有一定优势。经过几十年的发展,膜蒸馏技术已经取得较大进步,但效率低、通量小等问题制约了其规模化发展。因此,有必要继续加强膜蒸馏技术的相关研究,提高膜蒸馏技术的经济可行性已成为当前研究热点之一。本文从系统运行和膜改性两个角度出发,提出了一种新的优化模式及超疏水改性技术,旨在综合运行工况和膜特性两个方面协同提升膜蒸馏系统的性能。本文的主要研究内容与结果如下:首先,本文以直接接触式膜蒸馏为研究对象,通过Matlab编程建立二维传热传质模型。为验证模型可靠性,以冷热两侧的进料温度与流速(tf、tc、vf、vc)为变量进行基础膜蒸馏实验。为全面、客观、有效的对膜蒸馏系统做出评价,结合熵权-TOPSIS模型,以水通量、热效率、(火用)效率为指标,量化计算了不同工况参数下每项指标的权重,对膜蒸馏系统的不同工况条件进行多目标优化,按照归一化处理后的综合评分(RC)排序,获得最佳工况。研究发现,最佳工况条件为热、冷两侧进料温度分别为70℃和15℃,两侧流速分别为0.29 m·s-1和0.424 m·s-1,此时RC值最大,达到0.727。水通量、热效率、(火用)效率分别达到24.92 kg·m-2·h-1、64.65%、25.97%。在所有考察工况中,该工况下的水通量和热效率也达到最高。与(火用)效率的单目标优化结果相比,虽然(火用)效率的低了约52%,但水通量和热效率分别提高了 277%和27.19%。其次,基于zif-8形貌及粒径可控、易于制备、水热稳定性好等优点,选择zif-8材料用于膜的超疏水改性。以甲醇为溶剂,六水合硝酸锌和2-甲基咪唑为原料,通过常温合成路线,研究了投料比、合成液浓度以及合成温度对zif-8粒径的影响规律。通过控制合成参数可以改变zif-8晶体成核速率与生长速率的相对大小,从而实现zif-8的粒径调控。结果表明,投料比越小、合成液浓度越高、合成温度越高时制备的zif-8粒径越大。两种zif-8颗粒的制备条件如下:合成液的浓度为0.1 mol/L,反应温度为30℃,微米和纳米zif-8的投料比分别为1:3和1:6。根据DLS的表征结果,微、纳米zif-8颗粒的粒径分别约为1310 nm和266.6 nm。最后,用1H、1H、2H、2H全氟基三乙氧基硅烷(POTS)修饰zif-8,降低其表面能。再采用一步喷涂法,将疏水改性后的微、纳米zif-8颗粒沉积在PTFE原膜表面,构建微纳分级粗糙结构。为得出双尺度zif-8构建合理微纳分级粗糙度的制备条件,探讨了双尺寸zif-8、微纳米zif-8掺杂比例、POTS添加量、zif-8添加总量对疏水性能的影响,并通过SEM-EDS、AFM、WCA等多种手段进行表征。结果表明:在 S(膜)=7×7 cm,M(Z-6)=1:1,M(POTS):M(zif-8)=1:1,M(zif-8)=0.8 g的条件下,改性膜粗糙度达到最高(Ra=364nm),接触角达165.5°。最后,对改性膜和PTFE原膜分别进行膜蒸馏实验,考察超疏水改性前后膜的性能差异。首先以去离子水为原料液,考察不同工况下改性膜和PTFE原膜的性能差异。对熵权-TOPSIS模型得到的前五组工况进行膜蒸馏实验,发现改性膜的水通量均高于PTFE原膜,水通量最高达到29.11 kg·m-2·h-1,增长率达到16.8%。然后以不同浓度的NaCI溶液为模拟工业废水,考察处理高盐水时改性膜和PTFE原膜的性能差异。改性膜的水通量始终高于PTFE原膜,增长率达到37.6%-53.8%,且随着NaCl溶液的浓度由0 wt%提升至15 wt%,PTFE原膜的水通量下降33.96%,而改性膜仅下降19.58%。本文研究结果为膜蒸馏技术实现低能耗与高通量之间的平衡提供了理论指导,有助于提高膜蒸馏技术的经济可行性,推动该技术在工业废水处理领域的产业化发展。

关键词：膜蒸馏熵权-TOPSIS模型多目标优化双尺寸zif-8 超疏水改性

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