来源:Frontiers of Chemical Science and Engineering 发布时间:2021/11/2 11:22:21
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FCSE | 前沿研究:碱性废水回收用高性能渗透汽化复合膜的制备

论文标题:Fabrication of high-performance pervaporation composite membrane for alkaline wastewater reclamation (碱性废水回收用高性能渗透汽化复合膜的制备)

期刊:Frontiers of Chemical Science and Engineering

作者:Guiqin Bai ,Jianzhong Xia ,Bing Cao, Rui Zhang ,Junquan Meng ,Pei Li

发表时间:10 Sep 2021

DOI:10.1007/s11705-021-2078-2

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概述

北京化工大学李培教授团队和深圳大学夏建中研究员团队合作开发了可以处理浓碱液的渗透汽化复合膜。在该研究中, 以化学性质稳定、力学性能优异且价格低廉的聚乙烯微滤膜作为支撑层, 使用喷涂法将戊二醛交联羧甲基纤维素钠成功地涂覆到聚乙烯膜上。该复合膜在20 wt% NaOH溶液中室温浸泡9天或在60°C的10 wt% NaOH溶液中浸泡80小时后仍可保持稳定的截留性能。该膜在60 °C下可以将5 wt% NaOH溶液浓缩至10 wt%, 平均水通量为23 kg•m−2•h−1,对NaOH截留率保持99.98%。该项研究在国际上首次将渗透汽化技术应用与浓碱液处理,安全环保,解决了浓碱处理的瓶颈问题。

研究背景和意义

膜分离技术在水、能源、食品、医疗保健和化工等众多领域中应用。用于水处理的膜的种类有很多,现有研究中,反渗透和纳滤膜已被应用于从NaOH废水中回收碱。但当碱浓度较高时,这两种压力驱动膜需要克服非常高的渗透压,限制了它们工业化应用的可行性。现有碱溶液处理技术手段存在工艺过程繁琐、设备占地面积大、成本高、需要较高的技术支持、碱回收效率低、分离效果差、高浓碱水处理困难等问题。与纳滤、反渗透水处理方法相比,渗透汽化受盐浓度影响小,抗膜污染及分离效率高。探索研究出耐强碱性渗透汽化膜对碱性废水回收行业具有重大意义。

研究内容及结论

本研究主要选择羧甲基纤维素钠(CMC-Na)作为致密层的核心材料,利用其自身具备的优异耐碱性及反应基团,通过交联反应构建稳定可控的聚合物网络结构制备致密膜,考察其作为渗透汽化膜的可行性。利用戊二醛(GA) 与CMC-Na的混合溶液喷涂在聚乙烯(PE)微滤膜表面制备了渗透汽化膜。该膜在60 °C下可以将5 wt% NaOH浓缩至10 wt%,平均水通量为23 kg•m−2•h−1,对NaOH截留率保持99.98%。在常温20 wt% NaOH溶液中浸泡一个月后通量及截留率保持稳定。

相关成果以“Fabrication of high-performance pervaporation composite membrane for alkaline wastewater reclamation”为题,已发表在Frontiersof Chemical Science and Engineering上(DOI:https://doi.org/10.1007/s11705-021-2078-2)。

作者介绍

白桂芹, 硕士, 毕业于北京化工大学材料科学与工程学院。

李培, 北京化工大学材料科学与工程学院教授, 承担国家自然科学基金、科技部、教育部、北京市等一系列省部级科学基金项目多项, 在Nature Communications, Prog. Polym. Sci., J. Mater. Chem. A., Chem. Eng. J., J. Membr. Sci. 等期刊发布论文80余篇, 申请中国专利4项, 已授权1项。主要研究方向: 渗透汽化法在海水淡化、分离中的应用, 面向应用过程的膜材料与组器设计, 烟道气CO2分离、天然气提纯、氢气分离、O2/N2分离膜材料, 中空纤维纳滤膜、中空纤维气体分离膜。

夏建中,深圳大学高等研究院副研究员,在Environmental Science and Technology, Macromolecules, Journal of Membrane Science, Separation and Purification Technology等期刊发表论文十余篇,获得中国专利授权十余项,主持国家标准编制一项。主要研究方向:反渗透和纳滤膜的新型结构设计与应用, 疏水多孔高分子表面的亲水改性, 电池隔膜的表界面现象与改性研究。

摘要

Pervaporation desalination has a unique advantage to recycle concentrated salt solutions. The merit can be applied to treat alkaline wastewater if the membrane has superior alkali-resistance. In this paper, we used polyethylene microfiltration membrane as the substrate and deposited a glutaraldehyde crosslinked sodium carboxymethylcellulose layer by spray-coating. Pervaporation flux of the composite membrane reached 35 ± 2 kg•m–2•h–1 with a sodium chloride rejection of 99.9% ± 0.1% when separating a 3.5 wt-% sodium chloride solution at 70 °C. The desalination performance was stable after soaking the membrane in a 20 wt-% NaOH solution at room temperature for 9 d and in a 10 wt-% NaOH solution at 60 °C for 80 h. Moreover, the membrane was stable in 4 wt-% sulfuric acid and a 500 mg•L−1 sodium hypochlorite solution. In a process of concentrating a NaOH solution from 5 to 10 wt-% at 60 °C, an average water flux of 23 kg•m–2•h–1 with a NaOH rejection over 99.98% was obtained.

期刊信息

Frontiers of Chemical Science and Engineering(SCI,影响因子4.204)是2007年创刊出版的全英文化学科学与工程领域国际综合性学术刊物,由教育部主管、高等教育出版社、中国工程院与天津大学联合主办,德国Springer公司海外发行,以网络版和印刷版两种形式出版。主编为天津大学王静康院士科院宁波材料所薛群基院士和郑州大学刘炯天院士。该刊重点刊登反映当前化学科学与工程领域热点的优秀学术论文及综述,以快捷方式发表最新研究成果。涉及化学科学与工程的所有领域,主要包括:催化及反应工程,清洁能源,功能材料,纳米科学与技术,生物材料和技术,颗粒技术和多相过程,分离科学与技术,可持续技术和绿色过程等。

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