来源:Frontiers of Chemical Science and Engineering 发布时间:2022/3/28 11:44:08
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FCSE | 前沿研究:热致相分离法制备PVDF-HFP疏水膜用于直接接触式膜蒸馏

论文标题:Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoro propylene) membranes prepared via thermally induced phase separation and application in direct contact membrane distillation (热致相分离法制备PVDF-HFP疏水膜用于直接接触式膜蒸馏)

期刊:Frontiers of Chemical Science and Engineering

作者Jun Pan, Lixun Zhang, Zhaohui Wang, Shi-Peng Sun, Zhaoliang Cui, Naser Tavajohi 发表时间:25 Nov 2021

DOI:10.1007/s11705-021-2098-y

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研究背景及意义

膜蒸馏,是一种采用疏水微孔膜,以膜两侧饱和蒸汽压差为过程驱动力的膜分离过程,其理论截留率高达100%,可用于海水淡化、超纯水制备及废水处理等。膜润湿现象是制约膜蒸馏长期稳定运行的重要问题,因此越来越多的研究者们致力于提高膜蒸馏用膜的抗润湿性能研究。在本文中,我们采用疏水性更强的共聚物PVDF-HFP为聚合物材料,引入绿色稀释剂,通过热致相分离法(Thermal induced phase separation, TIPS)制备PVDF-HFP疏水多孔膜,用于直接接触式膜蒸馏过程。

研究内容及主要结论

引入绿色稀释剂乙酰柠檬酸三丁酯,通过热致相分离法制备PVDF-HFP疏水共聚物多孔膜。利用SEM,DSC,FTIR,XRD,接触角测试等手段对膜结构、晶相结构及表面性能进行了表征;之后在直接接触式膜蒸馏中检测其渗透及脱盐性能(图1)。得到以下主要结论:

(1) PVDF-HFP/ATBC体系相图中(图2(a)),在10–40 wt% PVDF-HFP质量浓度区间内存在液液分相区,表明在制备过程中铸膜液体系会经历液-液相分离过程,并最终能够形成如图2(b),(c) 所示的双连续结构;

(2) 根据FTIR(图3(a))及XRD (图3(b)),制得的PVDF-HFP膜均以α相形式存在;膜表面水接触角的最高值为123.87°;同时在较高浓度时,制得的膜的断裂强度、拉伸率分别高于3 MPa、350%,具有很好的韧性;

(3) 在DCMD测试过程中,(图4(a))膜的渗透通量与进料温度成正比关系,这是由于升高的进料温度提高了过程推动力;在图4(b)中,在30 h内的DCMD过程处理盐溶液时,渗透通量保持稳定,且盐截留率始终高于99.99%。

图1 主要实验材料及膜蒸馏简要流程

图2 (a) PVDF-HFP/ATBC体系相图,(b)、(c)分别为30 wt% PVDF-HFP膜的表面及断面

图3 (a) FTIR图谱,(b) XRD图谱,(c) 膜表面水接触角,(d) 膜的强度性质

图4 (a) 渗透通量、盐截留率与进料温度的关系 (b) 在进料温度为70℃, 渗透侧为 10 ℃时,30 h内的DCMD运行性能 (膜:30 wt% PVDF-HFP,进料液:3.5 wt%,进料流速100 mL•min−1,渗透侧流速 80 mL•min−1)

研究亮点

相关成果以“Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoro propylene) membranes prepared via thermally induced phase separation and application in direct contact membrane distillation”为题,已发表在Frontiers of Chemical Science and Engineering 上 (DOI:https://doi.org/10.1007/s11705-021-2098-y )

摘要

A non-toxic and environmentally safe diluent, acetyl tributyl citrate, was employed to prepare poly(vinylidene fluoride)-co-hexafluoropropylene membranes via thermally induced phase separation. Effects of the polymer concentration on the phase diagram, membrane morphology, hydrophobicity, pore size, porosity and mechanical properties (tensile stress and elongation at break) were investigated. The results showed that the pore size and porosity tended to decrease with increasing polymer concentration, whereas the contact angle, liquid entry pressure and mechanical properties showed the opposite trend. In direct contact membrane distillation operation with 3.5 wt-% sodium chloride solution as the feed solution, the prepared membranes performed high salt rejection (>99.9%). Furthermore, the prepared membranes retained excellent performance in long-term stability tests regarding the permeate flux and salt rejection.

作者及团队介绍

潘俊(第一作者),南京工业大学2019级博士研究生。

崔朝亮(通讯作者),南京工业大学化工学院教授,江苏省优青,南京市有突出贡献中青年专家,江苏省“创新创业岗”特聘专家,江苏省“六大人才高峰”高层次人才培养对象,中国膜工业协会疏水膜专业委员委员,中国海水淡化与水再利用学会青年专家委员会执行委员,国家科学技术进步奖二等奖获得者。承担了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等10多项国家级和省部级项目/课题;在Prog. Polym. Sci., Chem. Eng. Sci., J. Membr. Sci., Desalination, Sep. Purif. Technol.等国际权威期刊发表SCI收录论文50余篇,被SCI他引2500余次,申请国家发明专利23件和PCT专利1件,授权发明专利6件;担任Appl. Water Sci., Membr. Sci. Int.杂志副主编,同时是Chem. Eng. J., Chem. Eng. Sci., J. Membr. Sci., Desalination等期刊审稿人;主要研究方向:面向水处理与医疗器械应用的膜材料制备机理研究与产业化。

期刊信息

Frontiers of Chemical Science and Engineering(SCI,影响因子4.204)是2007年创刊出版的全英文化学科学与工程领域国际综合性学术刊物,由教育部主管、高等教育出版社、中国工程院与天津大学联合主办,德国Springer公司海外发行,以网络版和印刷版两种形式出版。主编为天津大学王静康院士科院宁波材料所薛群基院士和郑州大学刘炯天院士。该刊重点刊登反映当前化学科学与工程领域热点的优秀学术论文及综述,以快捷方式发表最新研究成果。涉及化学科学与工程的所有领域,主要包括:催化及反应工程,清洁能源,功能材料,纳米科学与技术,生物材料和技术,颗粒技术和多相过程,分离科学与技术,可持续技术和绿色过程等。

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