（有色金属冶金专业论文）金属纤维毡pva表面改性超滤膜的研究.pdf

中南大学博士学位论文 摘要 超滤技术具有能耗低、单级分离效率高等特点，已广泛应用于海水淡化、溶 液的浓缩、工业废水处理等领域。 本文用转相法制备了改性聚乙烯醇超滤膜，并在大孔金属纤维毡上成功制蛋 了具有不同超滤层的金属基系列复合亲水膜，将其用于o w 型煤油乳化液和金属 切削乳化液的处理，截留性能较好。 首次对采用高度亲水的聚乙烯醇( p v a ) 在金属纤维毡上制备复合膜的方法进 行了探索性研究，并用涂敷法制备了金属一p v a 复合亲水膜。研究了膜液浓度、 涂敷顺序、涂敷次数及热处理等对复合膜性能的影响。结果表明，在同样制膜条 件下，膜液浓度越大，对孔径的减小越有利；同样是两次涂敷成膜，先采用较大 浓度的膜液涂敷比先采用较小浓度的膜液涂敷所制膜的孔径要小：复合膜经过热 处理后稳定性提高，孔径减小。用涂敷法制得的金属一p v a 复合亲水膜，用来处 理质量浓度为o 1 的煤油乳化液，在操作压力为0 2 0 3 m p a 下，可以获得8 0 9 0 左右的截留率，但其纯水通量较小为1 5 4 0 l m h 一。 首次用相转化法制备了硫酸铁改性p v a 超滤膜、p v a c a 共混超滤膜以及金 属氯化物改性p v a - c a 共混超滤膜。研究了用相转化法制备p v a 系列超滤膜的工 艺条件，在一定范围内研究了膜液组成对膜性能的影响，并得到了各自较佳的铸 膜液配方。结果表明，p v a 超滤膜中添加适量硫酸铁，可提高膜的机械性能和耐 水性能。对p v a c a 共混超滤膜而言，在一定共混组成下，随聚合物浓度的增加， 膜的透液速率减小，截留率增加；当聚合物浓度一定时，随共混膜中醋酸纤维素 含量的增加，膜的透液速率增加，截留率减小。得到的较佳的铸膜液组成为p v a 为8 - 1 2 、c a 为1 - 3 、冰醋酸约5 0 ( 均为质量百分浓度，下同) ，其余为水。所 制的p y a c a 共混超滤膜，其耐水性和耐溶胀性优于纯p v a 超滤膜。 在用相转化法制备了p v a c a 共混超滤膜基础上，进一步考察了添加碱金属 和碱土金属氯化物盐对共混膜性能的影响，并制备了碱金属和碱土金属氯化物改 性的p v a c a 共混超滤膜。结果表明，在一定共混组成下，当盐含量增加时，共 混膜的透液速率增加，截留性能随之下降。但当膜液中盐含量为1 时，添加 b a c i ：、n a c l 、k c i 的改性p v a - c a 共混膜较未改性p v a c a 共混膜，在操作压力 0 3 0 m p a 下，透液通量提高幅度较大，分别达2 0 ，2 8 及4 5 ，而截留率减少较 小，减少量分别为2 、1 5 及1 ，均可维持9 0 的截留率。结果还表明，加入 碱金属氯化物n a c l 、k c l 均能降低共混膜的润湿角，增加其亲水性；添加b a c l ： 却导致膜的接触角有所增大，亲水性略为降低。 发明了在金属纤维毡上制备复合超滤膜的新工艺，首次成功地在金属纤维毡 中南大学博士学位论文 上制备了金属一硫酸铁改性p v a 复合超滤膜、金属一p v a c a 共混复合超滤膜及其 金属一n a c i 改性p v a c a 共混复合超滤膜。对金属一硫酸铁改性p v a 复合超滤膜， 在操作压力0 2 5 0 4 5 m p a 范围内，处理质量浓度为o 1 的o w 型煤油乳化液， 可获得3 6 4 5 l m - 2 h 。1 的透液速率，9 2 以上的c o d 截留率；对金属一p v a c a 共 混复合超滤膜和金属一n a c l 改性p v a c a 共混复合超滤膜，在操作压力0 2 5 0 4 5 t p a 范围内，处理处理质量浓度为0 1 9 6 的o w 型煤油乳化液，透液速率为 4 0 7 0l i l l h 一，c o d 截留率在9 0 以上。金属一n a c l 改性的p v a - c a 共混复合 超滤膜的综合性能略优于金属- p v a - c a 共混复合超滤膜。 自行设计并制作了单面平板式错流过滤装置，在此装置上用上述三种复合超 滤膜处理o w 型煤油乳化液和金属切f l q ? l 化液，在一定范围内研究了操作压力、 乳化液浓度、膜面流速等对膜性能的影响。结果表明，当乳化液浓度一定时，随 操作压力的增加，透液通量增加；在一定操作压力和膜面流速下，乳化液浓度增 加，透液通量减小；对一定浓度的乳化液，在一定操作压力下，膜面流速增加， 透液通量有所增加；乳化液浓度越大。截留率越大，但透过液浓度略有增加。在 一定操作条件下，乳化液浓度越小，起始通量越大，前期通量衰减越快。 通过对超滤过程进行阻力分析，建立了超滤过程的附加阻力增长模型： 扛一 用此模型对实验数据进行拟合，其相对误差在5 左右；经历初步稳定时间 ( t = 5 b ) 后，模型计算值与实验值误差更小，一般在1 以内。表明附加阻力增 长模型适合于油水乳化液处理。 研究还表明，用金属基系列改性p v a 复合亲水超滤膜处理煤油油乳化液或金 属切肖d 乳化液时，超滤过程中的膜污染阻力不能忽略，并且是膜过程附加阻力的 主要来源，而浓差极化阻力只占较小部分。 用金属一n a c i 改性p v a - c a 共混复合膜处理同样浓度的o w 型煤油乳化液与 金属切削乳化液，在同样操作条件下，其通量衰减曲线不同，处理煤油乳化液的 初始通量、稳定态通量，截留率等均大于处理金属切削乳化液的各项指标。但处 理质量浓度为0 1 4 o 的金属加工切削乳化液，其c o d 一次截留率仍可达到 8 9 9 6 。 研究了复合膜在一定频率与功率的超声清洗仪下清洗时间对膜性能的影响。 结果表明，超声清洗能很好地去除膜孔内以及膜表面的污染物，经过一定时间的 清洗，复合膜的性能即可得以恢复，清洗时间较长时，复合膜会产生损害。 中南大学博士学位论文 首次建立了基于单面平板超滤器在稳态过滤条件下的质量传递数学模型。运 用此质量传递模型对金属一n a c i 改性p v a - c a 共混复合膜超滤处理金属加工切削 乳化液进行了分析计算。结果表明，在一定操作条件下，透液通量越小，膜面浓 度越小，浓差极化越小。膜面浓度和膜面上方浓度与所处的位置有关，在离入口 同样距离处，靠膜面越近，浓度越大：距进口端越远，膜面浓度越大；增加膜面 流速，在一定程度上可减小浓差极化，但膜过程阻力较大时，靠增加流速来减小 浓差极化所起的作用不大。此时应采取措施对膜进行清洗，以减小膜过程的阻力。 结果还表明，增加扩散系数，可以大大减小浓差极化。因此。各种提高流体湍动 强度的措施均有利于提高涡流扩散系数，从而减小浓差极化。处于湍动的流体对 膜表面有一定的冲击效果，因而可降低膜过程污染。 此模型把各操作参数和膜器参数均转化为无因次参数，且考虑了溶质截留率 对超滤过程的影响，所以应用方便。并且能对一般超滤过程中的膜面浓度沿流道 方向的变化、膜面平均浓度、膜面上方的浓度等进行计算。模型计算结果对膜器 的设计以及操作条件的确定具有重要的指导意义。 关键词：聚乙烯醇；共混；改性：复合膜；超滤；乳化液；数学模型 中南大学博士学位论文 a b s t r a c t u l t r a f i l t r a t i o n ( u f ) i sam e m b r a n es e p a r a t i o np r o c e s sw h i c hh a sf o u n dw i d e a p p l i c a t i o n i ns u c hf i e l d sa sd e s a l i n a t i o n ，c o n c e n t r a t i o no fs o l u t i o n ，w a s t e w a t e r t r e a t m e n ta n ds oo n ，d u et oi t sl o w c o n s u m p t i o n ，h i g he f f i c i e n c yo fs e p a r a t i o n ，e t c m o d i f i e d p o l y v i n y la l c o h o l ( p v a ) u f m e m b r a n ew a s p r e p a r e db yp h a s e i n v e r s i o n ，a n d as e r i e so f h y d r o p h i l i cc o m p o s i t e m e m b r a n e sw e r e s u c c e s s f u l l y p r e p a r e d b a s e do nf e l t - m e t a l ，t h ec o m p o s i t em e m b r a n e sw e r eu s e dt ot r e a to w k e r o s e n ee m u l s i o na n dm e t a lc u t t i n go i le m u l s i o n ，a n dh i g hr e j e c t i o nw a so b t a i n e d t h e p r e p a r a t i o nm e t h o d o f c o m p o s i t em e m b r a n e b a s e do nf e l t m e t a lw a ss t u d i e d f o rt h ef i r s tt i m e b yh y d r o p h i l i c p v a ，a n dm e t a l p v ac o m p o s i t eh y d r o p h i l i c m e m b r a n e sw e r ep r e p a r e db yc o a t i n gac e r t a i nc o n c e n t r a t i o no fp v as o l u t i o no n f e l t - m e t a l t h ee f f e c t so fp r e p a r a t i o nc o n d i t i o n s s u c h a st h e c o a t i n g s o l u t i o n c o n c e n t r a t i o n ，s e q u e n c e ，t i m e so fc o a t i n g ，a n dh e a t - t r e a t m e n t ，e t c o nt h ep r o p e r t i e so f t h ec o m p o s i t em e m b r a n e sw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t 血eh o l ed i a m e t e ro ft h e c o m p o s i t em e m b r a n ed e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f t i l ec o n c e n t r a t i o no fp v a t h e h o l ed i a m e t e ro f c o m p o s i t em e m b r a n e i sd i f f e r e n tw h e nt h es e q u e n c eo fc o a t i n gi s d i f f e r e n t w h e nt h eh i g h e rc o n c e n t r a t i o no f p v a s o l u t i o ni su s e dt oc o a tt h ef e l t - m e t a l f o rt h ef i r s tt i m ea n dt h eo t h e rs m a l l e ro n ef o rt h es e c o n dt i m e ，t h eh o l ed i a m e t e ro f t h ec o m p o s i t em e m b r a n ei sr e l a t i v e l ys m a l l ，c o m p a r e dw i t ht h a to ft h ec o m p o s i t e m e m b r a n em a d eb yt h es m a l l e rc o n c e n t r a t i o no fp v as o l u t i o nf o rt h ef i r s tt i m ea n d t h eo t h e rh i g h e ro n ef o r 血es e c o n dt i m e t h eh o l e so ft h ec o m p o s i t em e m b r a n e c o n t r a c ta n dt h es t a b i l i t yo ft h em e m b r a n ei si m p r o v e db yh e a tt r e a t m e n t w h e n m e t a l p v ac o m p o s i t eh y d r o p h i l i cm e m b r a n e s a r eu s e dt ot r e a tt h eo we m u l s i o nw i t h t h ed o n c e n t r a t i o no f1 0 0 0m g l 一，t h er e t e n t i o ni s8 0 t o9 0 ，a n dt h ep e r m e a t ef l u x i sf r o m15l - m - 2 h t o4 0 l - m - 2 h 。1a t0 2t oo 3 m p a t h ef e r r i cs u l f a t em o d i f i e dp v a u fm e m b r a n e s ，p v a - c a ( c e l l u l o s ea c e t a t e ) b l e n du fm e m b r a n ea n dt h em e t a lc h l o r i d em o d i f i e dp v a c a b l e n du fm e m b r a n e w e r e p r e p a r e d f o rt h ef i r s tt i m eb yp h a s ei n v e r s i o n t h et e c h n o l o g i e s o ft h e p r e p a r a t i o no f as e r i e so fp u fm e m b r a n e sb yp h a s ei n v e r s i o nw e r ei n v e s t i g a t e d t h ee f f e c t so fc o n c e n t r a t i o no fc a s t i n gs o l u t i o n so nt h ep r o p e r t i e so f m e m b r a n e sw e r e i n v e s t i g a t e d a n dt h eo p t i m u mc o n s t i t u e n tw a so b t a i n e d t h er e s u l t s s h o wt h a t 血e a d d i t i o no fas u i t a b l ea m o u n to ff e r r i cs u l f a t et ot l l ec a s t i n gs o l u t i o nc a ni m p r o v e t h e m e c h a n i cp r o p e r t i e so ft h em e m b r a n ea n dt h es t a b i l i t yi nw a t e r t h ep e r m e a t e f l u xo f 中南大学博士学位论文 t h ep v a c ab l e n du fm e m b r a n ed e c r e a s e s a n dt h er e j e c t i o ni n c r e a s e sw i t ht h e p o l y m e rc o n c e n t r a t i o nu n d e r ac e r t a i nb l e n dr a t i o ，t h ep e r m e a t ef l u xi n c r e a s e sa n dt h e r e j e c t i o nd e c r e a s e sw i t hc a c o n c e n t r a t i o nu n d e rac e r t a i np o l y m e rc o n c e n t r a t i o n t h e s u i t a b l ec o m p o s i t i o ni s8 - 1 2 p v a ，1 - 3 c a ，5 0 a c e t i ca c i d ( w t ) ，a n dw a t e r t h e r e s u l t sa l s os h o wt h a tt h ep v a c ab l e n du fm e m b r a n eh a sb e t t e rr e s i s t a n c et ow a t e r a n dl e s ss w e l l i n gt h a nt h o s eo f u n m o d i f i e dp v au fm e m b r a n e t h ee f f e c t so fa l k a l im e t a lc h l o r i d ea n da l k a l ie a r t hm e t a lc h l o r i d eo nt h e p r o p e r t i e so fp v a c ab l e n dm e m b r a n ew e r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h em e t a lc h l o r i d e m o d i f i e dp v a - c ab l e n du fm e m b r a n e sw e r ep r e p a r e 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nd e c r e a s e so n l y2 1 5 a n d1 r e s p e c t i v e l ya tt h eo p e r a t i o np r e s s u r eo fo 3 0 m p a t h er e s u l t sa l s os h o wt h a t t h ec o n t a c t a n g l eo f t h es a l tm o d i f i e dp v a c ab l e n du fm e m b r a n ed e c r e a s e sb u tt h e s w e l l i n gi nw a t e ri n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e m e n to f t h em a s sf r a c t i o no fa l k a l im e t a l s a l t s f u r t h e r m o r e t h ec o n t a c ta n g l eo fn a c io rk c lm o d i f i e dp 一c ab l e n d m e m b r a n ei sal i t t l es m a l l e rt h a nt h a to ft h eu n l t i o d i f l e dp v 丸c ab l e n dm e m b r a n e b u tt h ec o n t a c ta n g l eo fb a c l 2m o d i f i e dp v a - c ab l e n dm e m b r a n ei sal i t t l eg r e a t e r t h a n 也a to f t h eu n m o d i f l e dp v a c ab l e n dm e m b r a n e an o v e lt e c h n o l o g yo f m a k i n gf e l t m e t a l - b a s e dc o m p o s i t eu fm e m b r a n ew a s i n v e n t e d t h em e t a l - f e r r i cs u l f a 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r e t h a n9 0 ，a n dp r o p e r t i e so ft h el a t t e ra r es l i g h t l ys u p e r i o rt ot h o s e o f t h ef o r m e r o n e s i d ec r o s s f l o wu f a p p a r a t u sw a ss e l f - d e s i g n e da n ds e l f - m a d e ，t h ea b o v e t h r e ek i n d so fm e m b r a n e sw e r eu s e dt ot r e a t e d 血eo wk e r o s e n ee m u l s i o na n dm e t a l c u t t i n go i le m u l s i o n ，t h ee f f e c t so fo p e r a t i o np r e s s u r e ，e m u l s i o nc o n c e n t r a t i o n ，f l o w v e l o c i t y , e t c o nt h ep r o p e r t i e so f t h em e m b r a n e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ep e r m e a t ef l u xi n c r e a s e sw i t ht h eo p e r a t i o np r e s s u r eu n d e rac e r t a i ne m u l s i o n c o n c e n t r a t i o n ，t h ep e r m e a t e f l u xd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ee m u l s i o n c o n c e n t r a t i o nu n d e rac e r t a i no p e r a t i o np r e s s u r ea n df l o wv e l o c i t y , t h ep e r m e a t ef l u x i n c r e a s e sw i t hi n c r e a s eo ft h ef l o wv e l o c i t yu n d e rac e r t a i no p e r a t i o np r e s s u r e ，t h e r e t e n t i o ni n c r e a s e sw i t ht h ee m u l s i o nc o n c e n t r a t i o nb u tt h ec o n c e n t r a t i o no f p e r m e a t e i n c r e a s e sal i n l e t h es m a l l e rt h ee m u l s i o nc o n c e n t r a t i o n ，t h eg r e a t e rt h ei n i t i a lf l u x ， a n dt h eg r e a t e rt h ef l u xd e c l i n e a na d d i t i o n a lr e s i s t a n c em a t h e m a t i c a lm o d e lw a s d e v e l o p e db yt h ea n a l y s i so f t h er e s i s t a n c ei nu l t r a f i l t r a t i o n 几南 t h em o d e li su s e dt of i tt h ee x p e r i m e n t a ld a t a w i t ht h ee r r o rw i t h i n5 i h e e r r o ri sl e s st h a n1 w h e nt h eu l t r a f i l t r a t i o nt i m ei sg r e a t e rt h a n5 b ，i ti l l u m i n a t e st h a t t h ea d d i t i o n a lr e s i s t a n c em o d e lc a nb eu s e df o rt h et r e a t m e n to fo we m u l s i o n t h e f o u l i n gr e s i s t a n c ec a r ln o tb en e g l e c t e d i nt h eu l t r a f i l t m t i o no fo wk e r o s e n e e m u l s i o na n dc u t t i n go i le m u l s i o nu s i n gm e t a l m o d i f i e dp 、，au fm e m b r a n e s a n di ti s t h em a i np a r to ft h et o t a lr e s i s t a n c e ，w h i l et h er e s i s t a n c eo f c o n c e n t r a t i o n p o l a r i z a t i o n i sm u c hl e s st h a nt h a t f o rt h et r e a t m e n to fo wk e r o s e n ee m u l s i o n 血ep e r m e a t ef l u xd e c l i n eo ft h e m e t a l n a c lm o d i f i e dp v a c ab l e n dc o m p o s i t eu fm e m b r a n ei sd i f f e r e n tf r o mt h a t f o rt h et r e a t m e n to ft h es a m ec o n c e n t r a t i o no fm e t a lc u t t i n go i le m u l s i o na tt h es a n l e o p e r a t i o nc o n d i t i o n 1 1 1 ei n i t i a lp e r m e a t ef l u x t h es t e a d y s t a t ef l u xa n d r e t e n t i o nf o r t h et r e a t m e n to fo wk e r o s e n ee m u l s i o na r ea l lg r e a t e rt h a nt h o s ef o rt h et r e a t m e n to f o wc u t t i n go i le m u l s i o nu n d e rt h es a m ec o n c e n t r a t i o na n do p e r a t i o nc o n d i t i o n b u t t h er e t e n t i o no fc o di ss t i l l8 9 9 6 w h e nt h em a s sc o n c e n t r a t i o no fc u t t i n go i l 中南大学博士学位论文 e m u l s i o ni s0 1 一4 0 t h ee f f e c to f c l e a n i n gt i m eb yu l t r a s o u n du n d e rac e r t a i nf r e q u e n c ya n dp o w e r w a si n v e s t i g a t e do nt h ep r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t em e m b r a n e s t h er e s u l ts h o w st h a t t h ef o u l i n go ft h em e m b r a n e sc a nb ec l e a n e do u t b yu l t r a s o u n d ，t h ep r o p e r t i e so f t h e m e m b r a n e sw e r er e n e w e db yac e r t a i nc l e a n i n gt i m e ，b u tt h em e m b r a n em a yb e d a m a g e d w h e nt h ec l e a n i n gt i m ee x c e e dac e r t a i nd u r a t i o n am a s st r a n s f e rm a t h e m a t i c a lm o d e li s d e v e l o p e db a s e do no n e s i d ep l a t e s t e a d y s t a t eu l t r a f i l t r a t i o n t h i sm o d e li s u s e df o rt h et r e a t m e n to fm e t a lc u t t i n go i l e m u l s i o nb ym e t a l n a c im o d i f i e dp v a c ab l e n dc o m p o s i t eu fm e m b r a n e t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h es m a l l e rt h ep e r m e a t ef l u x ，t h es m a l l e rt h ec o n c e n t r a t i o na tt h e m e m b r a n es u r f a c e ，t h es m a l l e rt h ec o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o n t h ec o n c e n t r a t i o na t t h em e m b r a n es u r f a c ea n dt h ec o n c e n t r a t i o no v e rt h em e m b r a n ei sc o r r e l a t e dw i 血i t s l o c a t i o n t h es h o r t e rt h ed i s t a n c et ot h em e m b r a n e ，t h e h i g h e r t h ec o n c e n t r a t i o na tt h e s a m ed i s t a n c et ot h ee n t r a n c e t h ec o n c e n t r a t i o na tm e m b r a n es u r f a c ei n c r e a s e sw i t h t h ed i s t a n c et 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v ea ni m p a c t t ot h es u r f a c eo ft h e m e m b r a n e ，w h i c hm a y r e d u c et h ef o u l i n go f t h em e m b r a n e t h e o p e r a t i o np a r a m e t e r s a n dt h e p a r a m e t e r s o fm e m b r a n em o d u l ea r e t r a n s f o r m e di n t od i m e n s i o n l e s so n e s ，a n dt h er e t e n t i o ni si n c l u d e di nt h em a s st r a n s f e r m o d e l ，s oi t i sc o n v e n i e n tf o ra p p l i c a t i o n t h em o d e lc a nb eu s e dt oc a l c u l a t et h e c o n c e n t r a t i o na td i f f e r e n ts u r f a c eo ft h em e m b r a n e ，t h em e a nc o n c e n t r a t i o na tt h e m e m b r a n e ，t h ec o n c e n t r a t i o no v e rt h em e m b r a n e ，e t c t h er e s u l t sc a nb eu s e df o rt