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膜蒸馏浓缩高盐废水过程中膜界面调控及阻垢性能研究

膜蒸馏浓缩高盐废水过程中膜界面调控及阻垢性能研究

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作者：谭广明南京理工大学

学位级别：硕士

基于膜孔筛分特性的膜分离技术广泛应用于高盐水处理与回用,但高盐废水因成份复杂和盐浓度高,无法对其进行浓缩处理。膜蒸馏技术具有出水水质好、水回收率高和可利用生产废热等优势,在高盐废水处理领域引起广泛关注。但膜结垢和由结垢... 详细信息

基于膜孔筛分特性的膜分离技术广泛应用于高盐水处理与回用,但高盐废水因成份复杂和盐浓度高,无法对其进行浓缩处理。膜蒸馏技术具有出水水质好、水回收率高和可利用生产废热等优势,在高盐废水处理领域引起广泛关注。但膜结垢和由结垢导致的膜润湿是膜蒸馏技术浓缩高盐废水面临的技术瓶颈。一方面,大量的盐垢沉积于膜表面并堵住膜孔,导致膜通量持续下降;另一方面,膜表面产生的盐垢会从膜表面向膜孔内渗透、生长并最终润湿膜孔,导致出水水质恶化。因此,抑制和破坏盐晶体在膜表面结垢是保证膜蒸馏稳定运行的关键。本研究探究了膜结构、界面润湿性及水处理工艺对膜阻垢性能影响,以实现膜蒸馏技术对高盐废水的高效稳定浓缩。目前,取得的研究成果如下:通过构建膜表面粗糙度和降低膜表面自由能以降低盐水与膜表面接触面积是缓解膜结垢的有效方法。首先,利用静电纺丝和静电喷雾技术并结合热处理制备了一种具有褶皱结构的超疏水纳米纤维膜。系统地研究了膜表面粗糙度对膜水通量和抗结垢性能影响。实验表明,串珠状结构纤维可以有效增加膜表面与盐水的接触面积,提高蒸发水通量。此外,热处理有利于将纤维内部含氟基团迁移到表面来提高纤维膜疏水性,以降低盐水与膜表面接触面积,延缓膜结垢。该超疏水纳米纤维膜在对高盐水浓缩时（以天然海水为例）,具有30.40 L m h的初始通量和88.26%的高水回收率。在优化进水组成时发现,Ca是加快膜结垢和膜润湿的主要离子,且产生的污染是不可逆污染。破坏Ca在超疏水膜表面成核是解决膜结垢和膜润湿重要举措。一方面,降低纳米纤维膜的膜孔径可继续降低盐水与膜表面接触;另一方面,加入阻垢剂破坏晶体在膜表面成核可进一步提高水回收率和膜稳定性。在上述研究基础上,通过在纺丝液中添加导电炭黑可提高纺丝液电导率,从而促进静电纺丝过程中纳米纤维的细化,降低膜孔径和提高膜孔隙率。实验表明,在对硫酸钙溶液进行浓缩时,膜孔径的降低能有效缓解膜结垢。此外,阻垢剂的添加能够进一步破坏硫酸钙晶体成核,提高膜水回收率和膜稳定性。该超疏水纳米纤维膜具有约～40 L h m的高水通量、近～100%的盐截留效率及优异的浓缩循环稳定性。上述研究表明,对膜界面结构进行调控和优化及破坏晶体成核能够大幅度提高膜蒸馏浓缩高盐废水时的膜抗结垢、抗润湿及循环稳定性能。该工作为膜蒸馏技术实现高盐废水处理与水回用提供理论基础与实验依据。

关键词：膜蒸馏膜界面结构高盐废水阻垢性能预处理技术

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