基于聚四氟乙烯中空纤维膜的太阳能膜蒸馏海水淡化器研究

【摘要】：膜蒸馏是一种以疏水微孔膜两侧蒸汽压力差为传质驱动力的膜分离技术,具有对无机盐和大分子等不挥发性组分的脱盐率高,投资成本低、操作简单等特点,将膜蒸馏与太阳能热源相结合,可大幅度降低其能耗,在海水和苦咸水淡化等领域应用前景大。膜蒸馏中,耐高温的疏水微孔膜材料的选择是关键。聚四氟乙烯(PTFE)具有良好的疏水性、化学和温度稳定性等优点,是膜蒸馏的理想材料。本文以“混合-挤出-膨化拉伸-热处理”法制备了PTFE中空纤维膜,对中空纤维膜的孔径、孔隙率和微观结构等进行了表征;以PTFE中空纤维膜为热膜,以PTFE中空实壁管为冷膜,制备内部有热能交换的空气间隙式膜蒸馏组件,考察膜壁厚度、孔径和孔隙率等结构参数和热料液进口温度、冷料液进口温度和料液流速等操作参数对膜蒸馏产水通量和脱盐率的影响;将空气间隙式膜蒸馏组件与太阳能集热系统结合,以NaCl溶液作为进料液,研究了热水进口温度、料液流速、天气情况、组件连接方式等对系统产水通量和脱盐率的影响。主要研究内容与结论如下:(1)采用“混合-挤出-膨化拉伸-热处理”工艺制备的PTFE中空纤维膜丝具有外侧致密、内侧疏松多孔的非对称结构,膜平均孔径为0.22-0.32?m,孔径分布较均匀,孔隙率为35.3-45.6%,膜丝表面水接触角为120-127.8°,疏水性强,拉伸强度为160N以上。(2)以PTFE中空纤维膜为热膜,以PTFE中空实壁管为冷膜,制备内部有热能交换的空气间隙式膜蒸馏组件,以质量浓度为2%的NaCl溶液为进料液,研究了膜壁厚度、孔径和孔隙率等结构参数对膜蒸馏产水通量和脱盐率的影响。结果表明,随着膜壁厚度的减小,产水通量增加;随着膜孔径和孔隙率增大,产水通量增加;脱盐率不受膜壁厚度和孔径孔隙率的影响,一直稳定在99.99%。(3)研究了热料液进口温度T1、冷料液进口温度T4、料液流速Q等因素对膜蒸馏产水通量和脱盐率的影响。结果表明:随着热料液进口温度T1的升高,产水通量与造水比均增大;随着冷侧进口温度T4的升高,产水通量减小,造水比增大;随着料液流速Q的增大,产水通量增加,造水比减小。膜蒸馏过程中脱盐率一直稳定在99.9%。(4)将空气间隙式膜蒸馏组件与太阳能集热系统结合,以3%NaCl溶液作为料液,进行太阳能气隙式膜蒸馏脱盐实验,研究热料液进口温度和流量、冷料液进口温度以及不同天气条件等对膜蒸馏产水通量和电导率的影响。结果表明,随着热料液进口温度和流量的增加,产水通量显著增大;而冷料液温度的升高则使产水通量下降。不同天气条件下膜蒸馏产水通量差异较大,光照条件较好的晴天,通量较高,阴天则产水较少。当太阳能的集热面积为1.85m2,有效膜面积为1m2,料液流量为150L·h-1时,该系统的最大产水通量为2.7 L·m-2·h-1,日产水总量最大可达11.8kg,产水电导率稳定在5-15?s·cm-1,脱盐率达到99.99%。本实验结果对解决我国偏远岛礁的饮水问题具有一定的参考意义。 【关键词】：PTFE中空纤维膜 气隙式膜蒸馏 太阳能 产水通量 脱盐率
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P747.14;TQ028.8
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 海水淡化技术11-14
• 1.1.1 多效蒸馏11-12
• 1.1.2 多级闪蒸12
• 1.1.3 压汽蒸熘12
• 1.1.4 反渗透技术12-13
• 1.1.5 电渗析13-14
• 1.2 膜蒸馏技术14-19
• 1.2.1 膜蒸馏原理和特点14-15
• 1.2.2 膜蒸馏过程研究15-17
• 1.2.3 膜材料研究17-19
• 1.3 太阳能海水淡化技术研究19-21
• 1.3.1 太阳能蒸发19
• 1.3.2 太阳能多效蒸馏19-20
• 1.3.3 太阳能反渗透20
• 1.3.4 太阳能膜蒸馏20-21
• 1.4 课题的研究意义和主要研究内容21-23
• 第2章 PTFE中空纤维膜的制备和性能表征23-33
• 2.1 引言23
• 2.2 实验部分23-26
• 2.2.1 实验仪器与材料23
• 2.2.2 PTFE中空纤维膜的制备23-24
• 2.2.3 SEM测试24-25
• 2.2.4 孔径分析和孔隙率测试25
• 2.2.5 表面接触角测试25
• 2.2.6 拉伸性能测试25-26
• 2.3 结果与讨论26-31
• 2.3.1 PTFE中空纤维膜的微观结构分析26-30
• 2.3.2 孔径分布和孔隙率研究30
• 2.3.3 表面接触角和拉伸性能研究30-31
• 2.4 小结31-33
• 第3章 膜结构和膜组件参数对膜蒸馏性能的影响33-41
• 3.1 引言33
• 3.2 实验部分33-36
• 3.2.1 实验所用材料与设备33
• 3.2.2 膜组件的制备33-34
• 3.2.3 空气间隙式膜蒸馏实验装置与流程34-36
• 3.2.4 膜蒸馏性能评价指标36
• 3.3 结果与讨论36-40
• 3.3.1 膜丝壁厚对膜蒸馏性能的影响36-37
• 3.3.2 膜孔径和孔隙率对膜蒸馏性能的影响37-38
• 3.3.3 热膜与冷膜的比例对膜蒸馏性能的影响38-40
• 3.4 小结40-41
• 第4章 操作条件对膜蒸馏性能的影响41-51
• 4.1 引言41
• 4.2 实验部分41-42
• 4.2.1 实验所用仪器和试剂41
• 4.2.2 膜丝规格和膜蒸馏组件41-42
• 4.2.3 实验装置与流程42
• 4.3 结果与讨论42-50
• 4.3.1 热料液进口温度T1对膜蒸馏性能的影响42-44
• 4.3.2 冷料液进口温度T4对产水通量、造水比和脱盐率的影响44-46
• 4.3.3 料液流量Q对产水通量、造水比和脱盐率的影响46-48
• 4.3.4 料液浓度C对产水通量、造水比和脱盐率的影响48-50
• 4.4 小结50-51
• 第5章 太阳能气隙式膜蒸馏脱盐实验研究51-62
• 5.1 引言51
• 5.2 实验部分51-53
• 5.2.1 实验材料与仪器51
• 5.2.2 太阳能气隙式膜蒸馏淡化装置51-53
• 5.3 结果与讨论53-61
• 5.3.1 热料液进口温度和流量对产水通量和电导率的影响53-54
• 5.3.2 冷料液进口温度对产水通量和电导率的影响54-55
• 5.3.3 不同天气条件下太阳能蓄热温度和膜蒸馏的产水通量55-57
• 5.3.4 组件连接方式的影响57-59
• 5.3.5 稳定性测试59-61
• 5.4 小结61-62
• 第6章 结论与展望62-64
• 6.1 结论62-63
• 6.2 展望63-64
• 参考文献64-69
• 硕士期间发表论文情况69-70
• 致谢70

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