一种膜蒸馏用复合功能膜及其制备方法、应用技术

本发明专利技术提供了一种膜蒸馏用复合功能膜及其制备方法、应用，所述复合功能膜依次包括疏水多孔支撑层、导热层以及导电层；其中疏水多孔支撑层为PVDF或PTFE疏水膜；所述导热层为多孔的铝质或铜质导热网；所述导电层为CNT涂层。采用本发明专利技术的膜，可将外部热源的热量通过该复合膜传递给冷进料液并产生热蒸汽，进而驱动膜蒸馏过程。摆脱传统膜蒸馏对热进料的依赖，并减少系统中的换热器的数量，同时，较低的进料温度对于缓解温度极化、提高膜通量和水回收率具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种膜蒸馏用复合功能膜及其制备方法、应用
本专利技术属于膜蒸馏
，尤其是涉及一种膜蒸馏用复合功能膜及其制备方法、应用。
技术介绍
目前，膜蒸馏(MD)在运行中均需要加热进料以获得蒸汽压驱动力。然而，当热料液产生蒸汽透过膜后，其在膜表面将迅速降温，即产生温度极化现象，这可使蒸汽压的驱动力降低一半，从而造成膜通量显著下降，极大地限制了系统的水回收率。直接在膜/盐水界面处提供水蒸发所需的热能可以显著降低能量强度，有望摆脱MD对热进料的依赖，从根源上降低温度极化的影响。因此，亟需开发出能够加热冷料液的复合膜，用于改进膜蒸馏工艺。美国莱斯大学的研究人员开发出纳米光子太阳能膜蒸馏(NESMD)系统。其原理是将纳米碳黑颗粒分散到聚乙烯醇(PVA)溶液中，再电纺到PVDF膜上，形成由负载炭黑的PVA纳米纤维与PVDF疏水膜组成的双层结构，当紫外线或太阳辐射照射到膜表面时就会产生局部加热的效果，进而将热量传递给冷料液。在聚焦太阳光下，使用小规模的NESMD组件可获得5.4L/m2·h的通量，盐分截留率大于99.5％。但受膜组件类型及构造的影响，使用紫外线或太阳能作为光源的效率不高，如何利用其有效照射大面积的膜是该方法面临的问题。加州大学洛杉矶分校的研究人员利用焦耳热加热膜，并进行了膜蒸馏研究。向PTFE膜上喷涂导电碳纳米管(CNT)形成导电复合层，然后在100Hz下向其施加20V交流电，当CNT对电子流动的阻力导致电子的动能转化为热能时，即产生焦耳热效应。利用CNT焦耳热加热后，膜表面温度高于料液温度，进而将热量传递给与之接触的冷料液。对含100g/LNaCl的高盐水进行脱盐实验，施加50W的电功率可使膜通量快速增加，脱盐率超过99％。但是，该法是基于CNT层特殊的电热特性而将其作为电阻生热，为了向冷料液传递足够的热量，必须向其施加高频高压交流电，进而消耗了大量电能，无法体现可利用低品质热源的优势。现有的关于复合膜的研究多数是在采用电纺/电喷技术制备出的多孔疏水膜的基础上进行改性如由PVDF-PTFE疏水层、聚对苯二甲酸乙二醇酯支撑层和壳聚糖-聚环氧乙烷亲水层组成的三层膜；由PTFE疏水性基底和亲水性聚乙烯醇/二氧化硅纳米颗粒(PVA-Si)杂化纤维涂层组成的复合膜；具有Janus结构的纳米纤维膜等。这些复合膜主要是针对膜污染、膜润湿等性能进行了改进。但目前多数复合膜是基于其热绝缘的前提，未见有关于同时具有导热和导电功能的复合膜的报道。因此，为了更好的体现膜表面加热的优点并克服现有研究的不足，有必要提供一种新的复合功能膜以及使用工艺，可以解决现有技术问题的不足。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术旨在提出一种兼具导热层和导电层的三层复合膜蒸馏用膜及其制备方法、应用，本专利技术的复合膜则无需利用焦耳生热，而是可以将外部热源的热量传导至膜表面，用于在膜蒸馏过程中加热进料液。本专利技术利用复合膜实现对冷进料的加热，依靠复合膜的导热性，实现膜表面自热，从而用于加热冷进料，以克服现有技术的不足。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种膜蒸馏用复合功能膜，依次包括疏水多孔支撑层、导热层以及导电层；其中疏水多孔支撑层为PVDF或PTFE疏水膜；所述导热层为多孔的铝质导热网或铜质导热网；所述导电层为CNT涂层。优选的，复合功能膜的厚度为100-150μm；疏水多孔支撑层的厚度为30-60μm；导热层的厚度为60-90μm，且为250-300目；CNT层是以CNT溶液喷涂于导热层上的，CNT溶液的浓度是0.1-0.3g/L，喷涂量是0.5-1.0mg/cm2。优选的，CNT层交联PVA。PVA的作用是与CNT的羧基和羟基表面基团进行交联，以此来固定CNT层，从而形成亲水且坚固的导电薄膜。优选的，PVA溶液喷涂于CNT层上，且PVA溶液的浓度为0.05％-0.2％；喷涂量为0.005-0.01mg/cm2。本专利技术还提供一种制备如上所述的膜蒸馏用复合功能膜的方法，包括如下步骤，1)将铝质导热网或铜质导热网以点粘的形式粘贴至疏水多孔支撑层上；2)配制CNT清液，向去离子水中加入CNT粉末和十二烷基苯磺酸钠，将所得混合液超声处理10-30min，再以11000-15000rpm的速度离心10-20min，收集CNT清液备用；其中CNT粉末的加入量为0.1-0.3g/L，十二烷基苯磺酸钠的加入量为1-3g/L；3)向步骤1)所得膜表面喷涂CNT清液，喷涂量为0.5-1.0mg/cm2；4)再向步骤3)所得膜表面喷涂PVA溶液，喷涂量为0.005-0.01mg/cm2；5)将经过步骤4)处理的膜，用去离子水洗涤1-2h以除去十二烷基苯磺酸钠，然后将膜在90-95℃的烘箱中干燥10-15min；6)将干燥后的膜浸入质量分数0.5％-1％的戊二醛和质量分数1％-2％的盐酸溶液中，在70-75℃下加热1-2h；7)将膜取出，在90-95℃下干燥10-15min即制得复合膜。本专利技术同时提供一种如上所述的膜蒸馏用复合功能膜或如上所述的制备方法制备的膜蒸馏用复合功能膜在膜蒸馏设备或蒸馏工艺中的应用。本专利技术同时提供一种利用如上所述的膜蒸馏用复合功能膜或如上所述的制备方法制备的膜蒸馏用复合功能膜进行膜蒸馏的方法，将外部热源与复合功能膜的导热层紧密接触，通过外部电源向复合功能膜的导电层施加直流电，料液为冷料液。优选的，外部热源为加热棒或加热板，其加热的温度是100-300℃。优选的，外部电源施加的直流电的电压为0-2V。本专利技术复合功能膜的第一层采用商品化的PTFE或PVDF膜作为疏水多孔支撑层，第二层是导热层，由多孔导热网构成，其可将外部热源产生的热量传导至膜/水界面；第三层是导电层，由具有导电性的CNT构成，并接通一定电压的直流电。将复合膜用于表面加热MD，导热层可吸收外部热源的热量使膜表面升温，热量传递给冷料液后促使料液升温并产生水蒸汽，水蒸汽透过疏水多孔支撑层后产生渗透液。本专利技术将具有高导热系数的多孔材料，例如铝网，作为导热层置于PVDF膜或PTFE疏水膜之上形成复合结构，这样可利用外部热源对冷料液进行加热。铝网具有优异的导热性，导热系数高达230W/m·K，以其作为导热层，可极大程度的将外部热量导入复合膜，用于加热冷料液。此外，铝网的柔韧性较好，有利于提高复合膜的强度和韧性，使其在应用中可承受较高的压力。在导热层之上涂覆一层CNT，是考虑到CNT具有优良的导电性。进料首先接触CNT层，向其施加一定的电学条件后，其表面的亲水层可与料液通过电化学反应原位减缓膜污染。此时，膜起到电极的作用，而不是电阻，通电不会产生热量。唯一的热量来自外部热源。同时，复合膜的这种结构设也可避免导热层与进料液(浓盐水)直接接触产生的腐蚀效应。此外，由于CNT也具有优异的热导率(2000～6000W/m·K)，故当热量经由该层在垂直于膜/水界面的方向上传递给冷料液时不会造成明显热损失。复合功能膜一旦带电，就可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种膜蒸馏用复合功能膜，其特征在于：依次包括疏水多孔支撑层、导热层以及导电层；其中疏水多孔支撑层为PVDF或PTFE疏水膜；所述导热层为多孔的铝质导热网或铜质导热网；所述导电层为CNT涂层。/n

【技术特征摘要】
1.一种膜蒸馏用复合功能膜，其特征在于：依次包括疏水多孔支撑层、导热层以及导电层；其中疏水多孔支撑层为PVDF或PTFE疏水膜；所述导热层为多孔的铝质导热网或铜质导热网；所述导电层为CNT涂层。


2.根据权利要求1所述的膜蒸馏用复合功能膜，其特征在于：复合功能膜的厚度为100-150μm；疏水多孔支撑层的厚度为30-60μm；所述导热层的厚度为60-90μm，且为250-300目；CNT层是以CNT溶液喷涂于导热层上的，CNT溶液的浓度是0.1-0.3g/L，喷涂量是0.5-1.0mg/cm2。


3.根据权利要求1所述的膜蒸馏用复合功能膜，其特征在于：CNT层交联PVA。


4.根据权利要求3所述的膜蒸馏用复合功能膜，其特征在于：PVA溶液喷涂于CNT层上，且PVA溶液的质量分数为0.05％-0.2％；喷涂量为0.005-0.01mg/cm2。


5.一种制备如权利要求1-4任一项所述的膜蒸馏用复合功能膜的方法，其特征在于：包括如下步骤，
1)将铝质导热网或铜质导热网以点粘的形式粘贴至疏水多孔支撑层上；
2)配制CNT清液，向去离子水中加入CNT粉末和十二烷基苯磺酸钠，将所得混合液超声处理10-30min，再以11000-15000rpm的速度离心10-20min，收集CNT清液备用；其中CNT粉末的加入量...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩非，王明洁，田家宇，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12