VIPS参数优化制备高性能膜蒸馏膜及其高矿化度矿井水处理应用
李真1
刘淑琴1
李井峰2
蒋斌斌2
卞伟2
1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 100083;中国矿业大学(北京)内蒙古研究院,北京 1000832.国家能源集团煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室,北京 102209;北京低碳清洁能源研究院,北京 102209
摘要：膜蒸馏技术凭借运行压力低、可高效利用低品位热源等独特优势,在高矿化度矿井水零排放处理工艺体系中占据重要地位,是构建经济高效处理流程的关键技术单元之一,但高能量抗污染的膜蒸馏膜的欠缺阻碍了其迈向工业化应用.使用蒸汽诱导相分离(VIPS)技术取代传统液致相分离技术制备疏水微孔聚偏氟乙烯(PVDF)膜,并将其应用在膜蒸馏高矿化度矿井水处理技术中.通过对VIPS过程温度、湿度、暴露时间等参数的协同调控,实现对膜结构与性能的优化.利用扫描电镜、孔隙率测试、孔径分析仪等表征手段,监测了不同参数条件对膜结构的影响,通过响应面法综合分析多因素之间的协同作用,使用高盐模拟水与宁东矿区真实高矿化度矿井水测试了优化VIPS膜在膜蒸馏过程中的实际性能表现.结果表明:温度升高会加速VIPS过程的相分离速度,减少膜表面结节结构的形成并帮助膜形成更大的孔径与孔隙率,但过高的温度会对孔隙率的提升起到抑制作用;湿度的增加有利于提升VIPS过程中非溶剂的入侵速率,帮助增大孔径与孔隙率,提升膜通量,但过高的湿度反而会使得孔隙封闭;暴露时间主要决定相分离的进程,暴露时间过短相分离不充分,暴露时间过长会使孔隙坍缩,适宜的暴露时间帮助形成均匀且高性能的膜.参数之间还存在不同程度的相互作用,温度与暴露时间的协同作用最为显著,其次是温度与湿度,而湿度与时间之间的作用较弱.最终使用温度 40℃、湿度 70%、暴露时间 15 min为优化参数制备了VIPS膜,并且使用直接接触膜蒸馏装置评估了其处理性能.测试发现膜的平均通量分别达到 14.75 L/(m2·h)和14.03 L/(m2·h),截留率均在 99.9%以上,并且在测试期间始终保持稳定.测试前后膜表面电镜图片显示其并未出现明显的污染物附着情况,接触角测量数据测试前后也稳定在 110°左右,说明膜具有较好的抗润湿和污染能力,展现出了良好的性能.
关键词：高矿化度矿井水膜蒸馏蒸汽诱导相分离PVDF膜
分类号：TD713(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家自然科学基金(51476185)国家自然科学基金(51978658)北京市科学技术委员会能源与材料领域应用技术协同创新资助项目(Z201100004520012)
论文发表日期：2025-10-31
在线出版日期：2025-11-18（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：12( 282-293 )
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