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膜科学与技术

来源:未知    更新时间:2013-12-13

 1.中空纤维亲/疏水膜制备技术
Fabrication of Hydrophilic/hydrophobic Hollow Fiber Membranes
    主要从事膜材料研究与开发、聚合物膜成膜过程及新型分离膜制备技术研究。以聚合物中空纤维膜材料的开发为主,研究各种制膜方法的成孔机理与微孔结构调控技术,同步开展中空纤维微孔膜亲/疏水后处理改性技术研究,以满足海水利用过程的需求。目前拥有浸没沉淀相转化(NIPS)法、热致相分离(TIPS)法、熔纺拉伸法、推压成型-拉伸法制膜设备,能够制备中空纤维亲/疏水膜。目前已承担省部级科研项目、中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目等各类研究课题10余项,申请专利1项,发表论文10余篇,其中SCI2篇。
1.1科研成果:
1.聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维超滤膜
    采用浸没沉淀相转化(NIPS)法制备的PVDF中空纤维超滤膜,具有大通量、耐污染、耐药洗等特点,其内外双皮层纳米级孔径,不仅满足出水的浊度和悬浮颗粒要求,对大部分细菌和微生物能达到99.9%以上去除率(图1.1)。 

图1.1 PVDF中空纤维超滤膜断面
 
2.聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维微滤膜
    采用热致相分离(TIPS)法制备的中空纤维微滤膜,其整体双连续网络对称结构,赋予其大通量、高强度、耐药洗等特点,应用在饮用水处理、污水处理/资源化等领域安全可靠(图1.3)。
 
图1.3 PVDF中空纤维微滤膜断面
 
3.聚丙烯(PP)中空纤维膜
    采用熔纺拉伸法制备的中空纤维微滤膜,其微孔结构为线状网络,赋予膜高强度、耐酸碱的优点。制膜过程不添加任何药剂,应用到啤酒饮料行业充二氧化碳、锅炉用纯水脱氧等领域安全可靠;经亲水处理,可应用在家用净水器,无有害物质溶出。(图1.4)。
 
图1.4 PP中空纤维膜表面电镜照片
 
4.聚四氟乙烯(PTFE)中空纤维膜
    采用推压成型-拉伸法制备PTFE中空纤维微孔膜,其微孔结构可制备成线状网络(图1.5.1)结构,也可制成海绵状微孔结构(图1.5.2),能够赋予膜高强度、耐氧化、耐酸碱、耐高温、超疏水性的优点。能够应用到膜蒸馏、膜气体吸收、膜法提溴等领域(图1.5.1)。
 
图1.5.1 线状网络结构PTFE中空纤维膜外表面电镜照片 
图1.5.2 海绵状微孔结构PTFE中空纤维膜外表面电镜照片
 
1.2制膜设备
1. 浸没沉淀相转化法(NIPS)中空纤维制膜设备
    该设备为试验型生产线,铸模液反应釜10L,一次最小投料量1Kg,控温范围上限250℃,铸模液和芯液输送均通过计量泵控制。设备关键参数控制精度高,能满足科研需求。
 
图1.6 NIPS制膜设备生产线
 
2.熔融挤出-拉伸法PP中空纤维制膜设备
    用于研发PP、PVDF等聚烯烃中空纤维膜。研究熔纺——拉伸制膜技术的成孔过程和机理。
 
图1.7 熔纺-拉伸法制膜设备生产线
 
2.膜表征与性能检测方法研究
Characterization of membrane structure and properties
    围绕膜结构与性能,开展其表征与检测方法的研究。改进测试方法,研发检测设备,制定检测标准。能针对不同膜材料的外观及圆度、内外径和壁厚、亲疏水性、孔隙率和孔径分布、断裂强度、断裂伸长率以及和回弹率等关键性能指标开展表征与检测技术研究。目前已承担国家海洋局业务化项目、海洋行业标准修订计划项目、中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目等各类研究课题6项。作为承担单位,颁布执行行业标准4项,发表论文3篇。
2.1科研成果
已发布行业标准:《聚丙烯中空纤维微孔膜》、《超滤膜及其组件》、《纳滤装置》、《纳滤膜及其元件》
已发表论文:《聚丙烯中空纤维膜疏水性能测试方法研究》、《聚丙烯中空纤维膜拉伸性能测试方法试验研究》、《中空纤维膜耐酸碱腐蚀及耐氧化性能试验研究》
2.2仪器设备介绍
    拥有金相显微镜、视频光学接触角测量仪、全自动压汞仪、毛细流孔径仪(毛细管流动法孔径分析仪)、物理吸附仪、电子万能试验机等多台先进仪器,能精准分析膜外观及圆度、内外径和壁厚、亲疏水性、孔隙率和孔径分布、断裂强度、断裂伸长率以及和回弹率等关键性能指标,为高性能膜制备技术以及高效膜过程研究提供技术支撑。
1.金相显微镜
仪器型号:Leica DM2500M
生产厂家:德国Leica公司
主要技术指标:
    目镜:10X,物镜放大率:5X,10X,50X,100X,具有粗中细三档调焦步进精度,细调焦精度1um。
科研用途:
    评价中空纤维膜圆度规整性并测试中空纤维膜的内、外径和壁厚。
2.视频光学接触角测量仪
仪器型号:DSA100 s
生产厂家:德国KRUSS公司
主要技术指标:
    接触角测量范围:0~180 °,分辨率:+/- 0.1 °,座滴法测量方式,自动滴定系统,具有四种接触角拟合方法即切线法、画圆法、Laplace法、高宽法。
科研用途:
    测量膜接触角,表征膜亲疏水性能。
3.接触角测量仪
仪器型号:JC2000D2
生产厂家:上海中晨数字技术设备有限公司
主要技术指标:
    接触角测量范围:0~180 °,分辨率:0.1 °,手动滴定系统,具有量角法、量高法和五点拟合法三种接触角度计算方法。
科研用途:
    测量座滴法膜接触角和滚动角(样品台旋转法)。
4.全自动压汞仪
仪器型号:AUTOPORE Ⅳ 9500
生产厂家:美国 Micromeritics 公司
主要技术指标:
    压力范围0~3.3万磅(228兆帕),孔径测量范围 50 埃~1000微米。
科研用途:
    分析膜孔结构如孔径分布、孔隙率、总孔面积、总孔体积等物理性质。
5.毛细流孔径分析仪(毛细管流动法孔径分析仪)
仪器型号:porolux 1000
生产厂家:比利时Porometer NV公司
主要技术指标:
    标准压力范围:0~35bar,孔径测量范围15nm~500um。
科研用途:
    采用气-液置换法分析膜通孔结构,测量膜泡点压力、最大孔径、平均孔径以及最小孔径、膜孔径分布以及气体和液体的透过率。
6.孔隙度分析仪仪器型号:Tristar Ⅱ3020
生产厂家:美国麦克仪器公司
主要技术指标:
    比表面积0.01m2/g~无上限;2nm~450nm 孔径分布。
科研用途:
    借助于气体吸附原理(典型为氮气)进行等温吸附和脱附分析,用于
测量膜比表面积、平均孔径,孔径分布等孔结构性能指标。
7.电子万能试验机
仪器型号:CMT6503
生产厂家:深圳市新三思材料检测有限公司
主要技术指标:
    最大试验力5kN,准确度等级0.5级, 位移示值误差极限:示值的±0.5%以内;试验力示值允许误差极限:示值的±1%以内。
仪器用途:
    对膜样品进行拉伸、压缩、弯曲和剪切操作,测试拉伸(断裂)强度及断裂伸长等机械性能指标。
8.电子单纱强力机
仪器型号:YG020B
生产厂家:常州第二纺织机械有限公司
主要技术指标:
    负荷测试范围:0~5000cN,负荷示值精度:±0.5%,拉伸速度:50 mm/min~999mm/min(无级可调),拉伸速度精度:±2%
科研用途:
    单次测量膜断裂强度、断裂伸长率机械性能测试。

3.膜法气体吸收技术
Membrane gas absorption
    围绕海水利用,开展膜吸收法烟气脱硫脱硝、膜法脱硫海水曝气处理、膜法养殖海水充氧等膜法气体吸收及充气/脱气技术研究。探索传质机理,确定影响因素,建立传质模型,指导膜法气体吸收及充气/脱气技术的实际应用。目前先后承担国家海洋局2008年和2013年海洋公益性行业科研专项项目,承担中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目2项。申请专利8项,授权发明专利2项,发表论文10余篇。
3.1原理与简介
    膜基气体吸收技术是一种新型、高效疏水膜分离技术,近年来在酸性气体脱除及气体分离回收领域得到广泛研究与应用。其传质原理为气液两相非直接接触,气体进入膜微孔与另一侧液体接触,液体将气体中某一组吸收并带走,导致膜微孔两侧气相介质中此组份出现浓度差,以此作为推动力,实现连续传质。膜吸收具有传质速率快,脱硫效率高,气液两相压降较小,参数独立控制,可避免液泛、雾沫夹带、沟流等问题的优点;设备体积小,重量轻,易于放大;高分子膜材料耐海水腐蚀,造价低。
 
 
图3.1膜基气体分离传质过程示意                图3.2 膜表面电镜照片
 
3.2科研成果
1.膜法海水烟气脱硫技术(实验室研究)
    膜吸收法海水烟气脱硫是将膜气体吸收技术与海水脱硫工艺相结合的新型烟气脱硫技术,即以海水为吸收剂,采用膜接触器作为气体吸收单元,以气−液非直接接触式膜气体吸收工艺替代传统吸收塔工艺,实现高效海水脱硫过程。膜法烟气脱硫工艺既可以防止烟气中重金属污染物进入海水污染海洋环境,又能避免烟气夹带大量水蒸气造成烟气排放系统尾部设备的严重腐蚀,可实现烟气低温排放,降低发电能耗。技术指标:脱硫率≥95%。
 
 
    图3.3 膜气体吸收实验装置             图3.4 膜法海水烟气脱硫实验装置 
图3.5 NOX和SO2检测仪器
 
2.膜法海水烟气脱硫技术(中试研究)
    项目组在天津大港发电厂2#发电机组燃煤锅炉旁,建成烟气处理量1000Nm3/h膜法海水烟气脱硫中试装置,完成实际烟气现场脱硫试验,实现最大烟气处理量1220Nm3/h;膜污染控制及膜法曝气技术取得成效;经近千小时稳定运行及天津市环境监测中心现场监测和取样检测,中试装置脱硫率≥96.5%,出口烟气SO2浓度<100mg/m3,满足国家《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2003),海水经膜法脱硫后重金属浓度未见升高;完成经济成本分析,与海水烟气脱硫技术相比,技术经济优势明显。
 
 
图3.6  脱硫中试现场
 
3、膜法烟气同时脱硫脱硝技术研究(实验室)
    膜法烟气同时脱硫脱硝工艺,采用海水或碱液为吸收剂,以膜接触器为吸收单元,气液两相独立操作,不直接接触,可在一个过程中实现烟气SO2和NOX的同时脱除,并将脱除物转化为高纯度的盐或化肥,实现废物资源化;设备体积小、基建投资少、运行管理方便;可解决目前工业化SO2/NOX联合脱除技术存在的工艺复杂,造价高等诸多问题。目前,项目组正准备在大港电厂开展2万Nm3/h的膜法同时脱硫脱硝技术装备示范。
技术指标:

1.NO转化率可达80%;

2.SO2脱除率可达99%。

 
图3.7 同时脱硫脱硝实验装置
 
4、膜接触器
    管式膜接触器具有膜效用高,填充密度大等特点,适用于进气压力高,烟气处理量小的工况;箱式膜接触器具有气阻低,烟气处理量大等特点,适用于进气压力低,烟气处理量大的领域。
    技术指标:
    1.填充密度:5%~60%;
    2.膜效用≥0.4m3/ m2·h
    3. 耐热温度:常温~150℃。
 
图3.8 管式与箱式膜接触器
 
5、膜接触器的其他应用
    (1)锅炉进水脱氧与腐蚀控制
    采用膜接触器脱除锅炉进水中的氧气,可防止管道、锅炉和设备腐蚀;不需要化学品,也节省了真空塔和脱气器等设备消耗。
    (2)半导体用高纯水脱氧
    在半导体和平板TFT行业,采用膜接触器脱氧,可使半导体用高纯水溶解氧降到1ppb以下,保证半导体产品质量。
    (3)饮料和食品
    在饮料和食品行业,氧气对其保存期限、产品质量、浓度和味道等都将产生负面影响,可采用膜接触器脱除其中的氧气,保证产品质量。
    (4)提升EDI性能
    膜接触器可安装在反渗透之后,EDI之前,将水中的CO2降到系统所要求的浓度范围。降低水中离子负荷,减少化学品使用,能够同步降低EDI电耗与运行成本。
    (5)富氧水
    采用膜接触器可制备富氧水,水中氧含量高达:40mg/L,可用于工厂化养殖海水充氧。
 
图3.9 500L/h膜法富氧水充氧装置
 
4.膜过滤分离技术
Membrane Filtration and Separation
    本研究方向重点围绕高盐度液体的膜过滤分离过程所涉及的科学问题,开发膜法海水淡化、工厂化养殖海水循环利用、高矿化度油田回注水处理、高盐度工业废水零排放等膜过滤分离的新路线和新方法,为工业应用提供创新技术。目前已承担国家海洋局和中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目各1项。申请专利3项,发表论文2篇。
 
科研成果
1.中空纤维微滤/超滤膜及膜组件
    研发设计PP、PVDF等材质中空纤维微滤、超滤膜组件,用于海水淡化预处理工艺、海水循环冷却水处理工艺、海水化学资源提取工艺等科研、工程领域。
 
图4.1.1 管式膜组件
 
图4.1.2 浸没式膜过滤组件
 
2.膜法直接过滤技术
    将膜直接过滤技术与膜法充氧相结合的膜集成工艺,能迅速有效的去除污海水中的颗粒物质和细菌,以及部分溶解性有机物、氮、磷营养盐,出水有机物和微生物指标可满足GB3097-1997《海水水质标准》中养殖用水要求。本工艺在降低水中污染物的同时,可大幅提高水中的溶解氧含量,有利于后续生物处理的运行。该工艺取得发明专利一项,实用新型专利一项,公开发表学术论文一篇。
3. MBR处理养殖污海水技术
    基于MBR工艺开展工厂化养殖海水处理,在填料附着与膜的截留共同作用下,培养和富集微生物、微藻,用于降解有机物、脱氮除磷。目前该工艺尚处于研发阶段。
 
图4.3 菌藻共生MBR装置
 
4.重金属分离/回收技术
    采用离子交换纤维-纳滤技术处理含重金属离子的工业废水,不仅可以实现重金属的回用,并且无二次污染物,大大减轻对环境的污染,具有较高的经济、环境和社会价值。本工艺可应用于电镀废水中铬离子的分离与回收。发表论文一篇,申请发明专利一项。
 
图4.4 铬离子分离/回收装置
 
5.膜法油田回注水处理技术
    通过实验室和胜利油田现场研究。采用我所选取的金属膜材料和处理工艺对采油废水进行处理,产水含油量0.3mg/L,悬浮固体含量(SS)0.2mg/L,中值粒径0.7µm,产水水质完全满足回注要求(SY/T5329-94标准A1 水质)。膜过滤过程通量大,产水水质稳定。
 
图4.5油田回注水膜法处理产水水质分析报告

 


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