新型正渗透膜与磁性纳米汲取剂制备及其脱盐耦合机制研究

Supplemented by current trends in forward osmosis (FO) membrane technologies at home and abroad and research results from our research group we have focused on the preparation of a novel membrane with high mechanical strength and water flux. A FO water treatment system using our new additions was then fabricated to study desalination performance.By optimizing the ratios of the doping solution and the preparation parameters, the production of an innovative forward osmosis membrane with polyamide net embedded structure was made possible. Simultaneously, the best ratio of solution and technology was determined to improve the mechanical strength and active layer performance. The new FO water treatment system will be manufactured through the combination of the FO membrane and DS magnetic nanoparticles. Further research will continue investigating the mechanism of FO membrane preparation. This project aims to provide a scientific basis and technical support for the low energy cost and effiency desalination process.

本项目针对目前膜通量低、膜机械强度差、汲取剂难回收等限制正渗透膜技术应用的瓶颈问题，依据国内外最新发展趋势，结合申请者及所在课题组已有特种膜技术的研究成果，开展强度高、通量大的新型正渗透膜及磁性纳米汲取剂体系脱盐耦合机制的研究。采用静电纺丝-涂覆相转化膜制备技术，考察制膜原料配比及相关制备工艺参数，研制具有网状内支撑结构的高强度、大通量的新型芳香聚酰胺正渗透膜。同时，以自主研制的正渗透膜为基础，开展磁性纳米汲取剂体系正渗透脱盐组合工艺反应器，形成低能耗的正渗透组合工艺系统。通过深入研究探讨正渗透膜制备机理脱盐耦合机制，为开发新型高效正渗透膜、正渗透耦合技术系统提供科学依据与技术支持。

本研究针对当前正渗透膜通量较低、机械强度差等限制正渗透技术应用的瓶颈问题，在深入探讨膜成形机理的基础上，开展了纳米粒子正渗透膜制膜工艺及应用研究，取得了如下成果：.1. 以醋酸纤维素为膜材料，系统考察了溶剂、支撑材料、铸膜液浓度和温度，以及挥发、凝胶和热处理过程对成膜性能的影响，得到了最佳的制膜工艺。.2. 制备的CA-PET膜呈“三明治”结构，厚度在120 μm左右，上下表面均较平滑，具有较高的机械强度、较好的亲水性和较高的孔隙率。以水和模拟污水分别作为原料液时， PRO模式时的水通量均高于FO模式，体系温度升高会提高膜的渗透性能，而对分离性能不利，汲取剂一侧温度对膜渗透分离性能的影响大于原料液一侧；适当提高膜面流速可显著降低外浓差极化效应；水通量随着汲取剂浓度升高而升高，相同浓度时，不同类型汲取剂产生的渗透压不同，从而影响膜的水通量。.3. 以最佳制膜工艺为基础，制备了SiO2纳米粒子掺杂正渗透膜。SiO2的掺杂对膜上表面影响不大，而增加了下表面粗糙度、亲水性和孔隙率；掺杂对致密分离层孔径影响不大，而使孔径分布稍向大孔方向偏移；SiO2的掺杂提高了膜的渗透性能，而分离性能基本稳定。.4. 制备的正渗透膜具有较好的耐酸耐碱性，而纳米改性膜耐碱性差，污染层易清洗，形成的污染为可逆污染。复合膜不仅使机械强度得到了增强，而且显著提高了膜分离性能。将正渗透工艺与膜蒸馏分离技术耦合，构建了可实现在线式连续运行的正渗透-膜蒸馏新工艺，研究表明FO-MD集成工艺能够实现同时生活污水浓缩和海水脱盐，具有较好的通量及截留性能。综上所述，项目所取得的研究成果丰富了正渗透膜研究体系，为正渗透膜技术的发展提供了技术支撑。