李雪佳,李鵬,李志霞,晉墩尚,郭強(qiáng),宋旭鋒,宋芃,彭躍蓮
(1 國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 榆林 719315;2 北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)部,北京 100124;3 北京低碳清潔能源研究院,北京 101303;4 煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102208)
煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)能源,其中西部地區(qū)煤炭資源占比超過(guò)全國(guó)煤炭資源總量的70%以上,但水資源匱乏嚴(yán)重限制著煤炭開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展[1]。在地下井采煤過(guò)程中,地下水與煤層接觸發(fā)生理化反應(yīng)形成礦井水。我國(guó)每開(kāi)采1t煤炭約產(chǎn)生2t礦井水,并且礦井水利用率(20%~30%)較低[2]。隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格,對(duì)礦井水提出廢水零排放的要求。礦化度高是制約西部礦井水利用的主要原因,降低礦化度就是脫鹽。膜蒸餾(membrane distillation,MD)被認(rèn)為是一種有潛力的脫鹽技術(shù),相比于膜法中的反滲透來(lái)說(shuō),膜蒸餾受濃差極化的影響小,與反滲透耦合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)濃鹽水的回收利用。與傳統(tǒng)的熱法相比,膜蒸餾操作溫度低(70℃以下),可利用低品位廢熱。膜蒸餾的比較優(yōu)勢(shì)是由其分離機(jī)理決定的,進(jìn)料側(cè)的熱鹽水和透過(guò)側(cè)的冷凝水以疏水性微孔膜為分離屏障,在膜兩側(cè)水蒸氣壓差的推動(dòng)下,水在進(jìn)料側(cè)氣化,以水蒸氣分子的形態(tài)透過(guò)疏水膜實(shí)現(xiàn)跨膜傳質(zhì),在透過(guò)側(cè)冷凝,從而實(shí)現(xiàn)鹽/水分離。
但是,MD 面臨的主要挑戰(zhàn)是膜污染和膜潤(rùn)濕。經(jīng)過(guò)對(duì)西部某礦井水的反滲透濃水分析后發(fā)現(xiàn),總?cè)芙夤腆w含量(TDS)達(dá)到15340mg/L,其中Ca2+1854mg/L,4961mg/L,pH為7.5,有機(jī)物含量低,表面張力(72.5±0.5)mN/m[3]。因?yàn)镃aSO4在水中的溶解度低,約2.55g/L(40℃)[4],所以MD處理這種反滲透濃水時(shí)面對(duì)的主要障礙是CaSO4結(jié)垢。CaSO4在膜面的結(jié)垢過(guò)程可分為三個(gè)階段[5]:隨著濃縮倍數(shù)的增加,CaSO4飽和度增大,大于1后首先在溶液中均相成核結(jié)晶,此時(shí)對(duì)膜的影響還很小,膜通量和冷凝液電導(dǎo)率穩(wěn)定,這是第一階段;隨著溶液中晶體數(shù)量的增多,膜面開(kāi)始有少量沉積,并異相成核生長(zhǎng),也可能有少量晶體落入膜孔內(nèi),造成膜潤(rùn)濕,膜通量下降,電導(dǎo)率可能小幅度上升,這是第二階段;膜孔內(nèi)和膜面的CaSO4晶體快速生長(zhǎng),降低了水的揮發(fā)面積,通量大幅下降,同時(shí)膜潤(rùn)濕向孔內(nèi)發(fā)展,電導(dǎo)率大幅度升高,這是第三階段??梢钥闯瞿っ婧湍た變?nèi)CaSO4結(jié)垢會(huì)加劇膜潤(rùn)濕。
目前,緩解膜污染和結(jié)垢的方法主要包括:料液的預(yù)處理、膜清洗以及膜改性。料液預(yù)處理是從源頭上降低膜的污染負(fù)荷,常用的工藝有沉淀、混凝、過(guò)濾、超/微濾等。除料液預(yù)處理外,還必須提高膜自身的耐污染和抗?jié)櫇衲芰?,主要手段是?duì)膜改性。目前抗污染膜的改性路徑主要有兩種:一是超疏水改性[6],超疏水/全疏膜表面有兩個(gè)特點(diǎn)為低表面自由能和高表面粗糙度;二是超親水改性,制備親水/疏水膜也就是Janus復(fù)合膜,即膜兩側(cè)或膜表面具有不對(duì)稱潤(rùn)濕性的“雙面”膜。在疏水膜表面沉積親水皮層能有效防止非極性污染物的附著。常用的親水改性物質(zhì)包括聚乙烯醇、多巴胺、氧化石墨烯、殼聚糖和水凝膠等,它們富含羥基、羧基、氨基和環(huán)氧基等親水基團(tuán),極易與水分子形成氫鍵且作用力較強(qiáng),可以在膜表面形成水合層[7]。
本文主要研究抗CaSO4結(jié)垢MD 膜的特點(diǎn),重點(diǎn)比較了目前商業(yè)化的平板聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)疏水多孔膜,以及對(duì)它們分別進(jìn)行親水改性和疏水改性后的兩種復(fù)合膜,在濃縮硫酸鈣飽和溶液過(guò)程中的污染和潤(rùn)濕狀況,從膜的表面形貌、表面孔徑和孔隙率、LEP值等物理參數(shù)入手探討各自的抗結(jié)垢機(jī)理,為MD用膜的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和選擇提供依據(jù)。
實(shí)驗(yàn)中使用了兩種商用疏水微濾膜,其中PTFE 膜(廠家標(biāo)注的泡點(diǎn)壓力0.203~0.213MPa、平均孔徑0.10μm,膜厚度175μm)是一種復(fù)合膜,邁博瑞生物膜技術(shù)有限公司;PVDF 膜(廠家標(biāo)注的平均孔徑0.22μm,膜厚度200μm)是一種均相膜,Millipore公司。
兩種改性膜均為實(shí)驗(yàn)室自制。親水改性膜是對(duì)PTFE 基膜先進(jìn)行等離子體預(yù)處理后旋涂聚乙烯醇(PVA)與聚丙烯酸(PAA)混合物形成PVA-PAA親水層,制備得到PVA-PAA/PTFE 復(fù)合膜,具體制備方法和表征見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。疏水改性膜是采用浸泡-熱交聯(lián)的方法將Teflon水乳液涂覆在PVDF基膜表面,制備得到疏水改性的Teflon/PVDF 復(fù)合膜,具體制備方法和表征見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。
對(duì)基膜和復(fù)合膜進(jìn)行物理表征,用掃描電子顯微鏡(SEM,SU-8020,日本哈希)和原子力顯微鏡(AFM,SCD005,德國(guó)布魯克)觀察膜表面形貌和粗糙度,用泡壓法孔徑分析儀(3H-2000PB,貝士德儀器)測(cè)試膜的氮?dú)馔亢涂讖健S米灾频囊后w進(jìn)入壓力裝置測(cè)定LEP值,采用接觸角分析儀(Dataphysics-TP50,北京奧德利諾儀器有限公司)測(cè)試膜的靜態(tài)接觸角和滑動(dòng)角。萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(34SC-1,美國(guó)INSTRON公司)測(cè)試膜的斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂強(qiáng)度,由兩者關(guān)系線的斜率得到膜的楊氏模量。
本文計(jì)算了四種膜的表面孔隙率,計(jì)算方法如下:利用Image-J 軟件(美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院)分析膜表面SEM 圖像,并應(yīng)用Feret 直徑函數(shù)功能來(lái)計(jì)算表面孔徑大小和分布。再利用Origin 2021軟件根據(jù)Feret 直徑函數(shù)算得的數(shù)據(jù)對(duì)表面孔隙進(jìn)行分類,得到表面孔徑分布。最后,根據(jù)穿孔面積與總膜面積的比值,用Image-J 軟件自動(dòng)計(jì)算膜表面孔隙率[4]。
因直接接觸式膜蒸餾(DCMD)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示,本文在DCMD 中分別濃縮添加了3.5% NaCl 的14.7mmol/L CaSO4溶液(飽和溶液),評(píng)價(jià)膜的抗結(jié)垢性能。將有效膜面積為17.5cm2的平板膜固定于膜池中,在自制的DCMD裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。以14.7mmol/L CaSO4+3.5% NaCl溶液作為進(jìn)料液(14.7mmol/L CaCl2與14.7mmol/L Na2SO4混合,之后加入3.5% NaCl),首先將進(jìn)料液槽置于水浴鍋(HH-2,金壇市天瑞儀器有限公司)中,待1L 進(jìn)料液溫度達(dá)到設(shè)定值后通過(guò)蠕動(dòng)泵(310 D,保定芯之恒流泵有限公司)輸送到膜池,調(diào)整進(jìn)料液和冷凝液的循環(huán)速率,透過(guò)膜的蒸汽經(jīng)冷凝器(SDC-6,寧波新芝生物科技有限公司)冷凝后收集于冷凝液槽中。進(jìn)料液和冷凝液溫度各為65℃和20℃,流量均為250mL/min,運(yùn)行一段時(shí)間后,通過(guò)電子天平(AD.USA.AH,安衡衡器電子有限公司)實(shí)時(shí)記錄滲透?jìng)?cè)的冷凝液量,用電導(dǎo)率儀(DDSJ-318,上海雷磁有限公司)實(shí)時(shí)測(cè)量冷凝液的電導(dǎo)率,根據(jù)冷凝液量計(jì)算得到膜通量。
圖1 直接接觸式膜蒸餾實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
膜的選擇透過(guò)性能用膜通量J和冷凝液電導(dǎo)率進(jìn)行評(píng)價(jià),用式(1)計(jì)算膜通量。
式中,J為膜通量,kg/(m2·h);?m為冷側(cè)的質(zhì)量增量,kg;A為膜的有效面積,0.00175m2;?t為冷凝液收集時(shí)間,h。
膜表面化學(xué)結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其耐污染性和抗?jié)櫇裥杂兄卮笥绊懀紫仁褂脪呙桦娮语@微鏡對(duì)四種膜的表面形貌進(jìn)行了表征,如圖2 所示。PTFE基膜表面呈現(xiàn)雙向拉伸的形態(tài),由不規(guī)則的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組成的[圖2(a)],表面孔隙率很高,達(dá)到52.1%(表1),但表面孔尺寸不均勻。涂敷PVAPAA后,形成了表面致密皮層,且非常光滑[圖2(b)]。PVDF 基膜呈現(xiàn)相分離膜的典型結(jié)構(gòu),表面孔呈圓形,且孔徑較均勻[圖2(c)],孔隙率較高達(dá)37.1%(表1)。涂敷Teflon 乳液后,表面孔收縮且孔數(shù)量明顯減少[圖2(d)],表面孔隙率降低為19.5%(表1)。因?yàn)閮H對(duì)膜的一個(gè)表面進(jìn)行了改性,無(wú)論親水改性,還是疏水改性,膜的斷面變化不明顯??偟膩?lái)說(shuō)僅PVA-PAA/PTFE 復(fù)合膜表面有親水致密皮層,其余三種疏水膜表面均呈多孔結(jié)構(gòu)。因?yàn)槌赡し椒ú煌仔螤詈涂壮叽缫嗖煌?/p>
表1 兩種基膜和兩種復(fù)合膜的物理參數(shù)
圖2 四種膜的SEM圖
四種膜的孔徑、N2透過(guò)通量和LEP值等數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示。盡管用氣體滲透法測(cè)定的最大孔徑和平均孔徑較PVDF 基膜小,PTFE 基膜因其多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),孔隙之間的貫通性好,有效的傳質(zhì)通道更多。此外,因?yàn)楸狙芯恐惺褂玫腜TFE基膜是PTFE與PET熱壓形成的復(fù)合膜,相對(duì)于PVDF基膜,整體厚度更薄,尤其是PTFE 層僅39μm,所以N2通量遠(yuǎn)高于其他膜,表現(xiàn)出優(yōu)異的透氣性;在DCMD中濃縮3.5% NaCl 溶液時(shí),又由于表面孔隙率高,水揮發(fā)面積大,膜蒸餾時(shí)水蒸氣通量也最高。
當(dāng)PTFE 基膜表面覆蓋PVA-PAA 親水涂層后,表面大孔喪失,復(fù)合膜不僅最大孔徑、平均孔徑變小,N2通量也大幅度降低,水蒸氣通量也有所降低,透過(guò)性能變差。Teflon乳液改性PVDF基膜后,膜的孔徑也發(fā)生了一定程度的收縮,N2通量和水蒸氣通量也有所降低。
兩種改性膜的LEP值與基膜的相比,都有所增大,但變化都不顯著,說(shuō)明這些改性不能大幅度增大LEP 值。PTFE 與PVDF 基膜的微觀結(jié)構(gòu)不同,LEP 值差別也很大。根據(jù)楊-拉普拉斯方程如式(2)所示。
影響LEP值的因素包括液體的表面張力(γl)、液體在膜表面的接觸角(θ)、膜的最大孔徑(rmax)和形狀因子B等[10]??梢酝ㄟ^(guò)提高膜面疏水性以及收縮膜的孔徑來(lái)增大LEP值,改性一般會(huì)讓膜的孔徑減小,進(jìn)而能提高膜的抗?jié)櫇裥阅埽疚牟捎玫膬煞N改性方法的影響很有限。評(píng)價(jià)膜抗?jié)櫇裥愿叩偷牧硪环N常用的方法是在進(jìn)料液中添加表面活性物質(zhì),觀察膜蒸餾通量和冷凝液電導(dǎo)率變化。十二烷基硫酸鈉(SDS)是一種常用的潤(rùn)濕劑,其疏水端優(yōu)先吸附在疏水膜面,親水端優(yōu)先吸附在親水膜面。在濃縮含SDS NaCl 溶液的DCMD 實(shí)驗(yàn)中,PTFE 膜、PVDF 膜和Teflon/PVDF 復(fù)合膜都有不同程度的潤(rùn)濕,PVA-PAA/PTFE復(fù)合膜表面因與SDS的親水端接觸,長(zhǎng)的疏水端仍在水中,延緩了SDS穿透親水層與基膜接觸,其抗?jié)櫇裥暂^三種疏水膜更好。從表1 還可以看出,LEP 值與表面孔隙率、N2通量、水蒸氣通量有顯著的相關(guān)性,表面孔隙率越高,透氣性越好,LEP越低,即膜的抗?jié)櫇裥耘c透氣性存在trade-off關(guān)系。
PTFE 膜、PVDF 膜和Teflon/PVDF 復(fù)合膜三種膜表面能較低,空氣中水接觸角均在120°以上;但煤油和這三種膜表面之間存在疏水-疏水相互吸引力,很容易吸附煤油造成膜孔堵塞,水下被煤油瞬間潤(rùn)濕。而PVA-PAA/PTFE 復(fù)合膜表面的親水涂層讓它在空氣中親水、水下疏油,在水下形成的界面水合層能抵御煤油接近疏水PTFE 基膜,所以這種親水改性能防止油類物質(zhì)對(duì)疏水膜的污染。
為了研究四種膜的抗結(jié)垢能力,濃縮含有14.7mmol/L CaSO4(2g/L,接近飽和溶解度)和3.5%NaCl的水溶液,因?yàn)閷?shí)際礦井水中TDS含量較高,配水中添加NaCl 來(lái)模擬礦井水中的無(wú)機(jī)鹽,膜通量和電導(dǎo)率隨濃縮倍數(shù)變化如圖3所示。
圖3 四種膜分別濃縮14.7mmol/L CaSO4+35g/L NaCl溶液時(shí)膜通量和冷凝液電導(dǎo)率隨濃縮倍數(shù)的變化
PTFE 基膜和PVA-PAA/PTFE 復(fù)合膜的起始通量分別為27.3kg/(m2·h)和24.3kg/(m2·h)。從圖3(a)可以看出,在對(duì)飽和硫酸鈣溶液3 倍濃縮的過(guò)程中,PTFE 基膜和PVA-PAA/PTFE 復(fù)合膜的通量均持續(xù)下降,最終膜通量均在18.3kg/(m2·h)左右,電導(dǎo)率較穩(wěn)定,兩種膜的通量衰減幅度分別為33.0%和24.7%,都表現(xiàn)出較好的抗結(jié)垢和抗?jié)櫇裥阅?。濃縮倍數(shù)達(dá)到2之前,兩個(gè)膜的通量下降較快;濃縮倍數(shù)在2~3 時(shí),通量下降幅度減緩,但兩個(gè)膜的電導(dǎo)率差異擴(kuò)大,其中PVA-PAA/PTFE 復(fù)合膜冷側(cè)的電導(dǎo)率升至4.3μS/cm,PTFE 基膜保持在3.0μS/cm。
CaSO4結(jié)垢可劃分為均相成核、異相成核(表面結(jié)垢)和孔內(nèi)生長(zhǎng)(孔內(nèi)結(jié)垢)三個(gè)階段,因?yàn)楸疚呐渲频倪M(jìn)料液中CaSO4已飽和,均相成核階段很短,濃縮開(kāi)始后很快進(jìn)入膜表面結(jié)垢階段,PTFE 基膜和PVA-PAA/PTFE 復(fù)合膜的膜面逐漸被垢層覆蓋,傳熱和傳質(zhì)阻力增大,膜通量大幅下降,但還未出現(xiàn)膜潤(rùn)濕,電導(dǎo)率升高不明顯。但濃縮倍數(shù)達(dá)到2 以后,異相成核激增,CaSO4晶體除沿膜面橫向生長(zhǎng)完全覆蓋膜表面外,還向膜孔內(nèi)生長(zhǎng),甚至造成膜孔徑增大,降低LEP值,提高了膜潤(rùn)濕的風(fēng)險(xiǎn),電導(dǎo)率升高。
值得注意的是,PVA-PAA/PTFE 復(fù)合膜因膜面有致密的PVA-PAA 親水皮層,表面孔徑很小,但它并沒(méi)有表現(xiàn)出比PTFE 基膜更好的抗結(jié)垢性能,甚至膜潤(rùn)濕程度更高。這個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)證實(shí),致密親水皮層不能提高疏水膜的抗結(jié)垢能力,盡管由于表面孔大幅收縮,CaSO4晶體落入膜孔內(nèi)的概率降低,但可能由于親水皮層對(duì)CaSO4晶體沒(méi)有排斥作用,甚至PVA-PAA上的基團(tuán)對(duì)Ca2+有吸附作用,表面結(jié)垢程度絲毫沒(méi)有減輕,后續(xù)的孔內(nèi)結(jié)垢與PTFE 基膜的一樣發(fā)展。由此我們推測(cè)減輕膜結(jié)垢采取的措施首選是降低均相成核概率,其次是那些能減輕表面結(jié)垢的措施,如增大膜面對(duì)CaSO4晶體的排斥力,增大料液流速促進(jìn)膜面的沖刷作用,最后才是盡量防止孔內(nèi)結(jié)垢。
如圖3(b)所示,濃縮飽和硫酸鈣的鹽溶液時(shí),PVDF 基膜和Teflon/PVDF 復(fù)合膜的起始通量分別為18.6kg/(m2·h)和18.4kg/(m2·h)。像PTFE 基膜和PVA-PAA/PTFE 復(fù)合膜那樣,濃縮倍數(shù)達(dá)到2 之前,PVDF基膜的通量快速下降;當(dāng)濃縮到3倍時(shí),通量為13.2kg/(m2·h),通量衰減率為29.0%。但濃縮3倍時(shí),Teflon/PVDF 復(fù)合膜的通量衰減率僅1.1%,電導(dǎo)率一直維持在1.0μS/cm。四種膜中,Teflon/PVDF復(fù)合膜表現(xiàn)出最好的抗結(jié)垢和抗?jié)櫇裥阅堋?/p>
與其他三種膜相比,僅Teflon/PVDF 復(fù)合膜表面有滑移特性,水的滑動(dòng)角45.8°,這可能是它抗結(jié)垢的根本原因[11]。本文使用的Teflon乳液是PTFE水乳液,涂敷在玻璃板上并烘干后,水在玻璃板上的接觸角由38.5°升至117.5°,說(shuō)明乳液成膜后有較低的表面能。涂敷在PVDF基膜上并烘干成膜后,PTFE 顆粒牢固附著于PVDF 基膜表面,可以提高Teflon/PVDF 復(fù)合膜的疏水性[3]。且由于PTFE 顆粒的原因,復(fù)合膜表面的粗糙度有所增大(表1)。從宏觀上看,低表面能和高粗糙度賦予了Teflon/PVDF 復(fù)合膜滑移特性,促進(jìn)了料液在膜面的沖刷作用,有利于提高膜的抗結(jié)垢能力。從微觀上來(lái)說(shuō),Teflon乳液不僅降低了膜的表面能,還降低了膜孔內(nèi)表面的表面能,即淺層膜孔更疏水,且改性縮小了膜孔,兩者都有利于膜孔由“水潤(rùn)濕”向“氣體潤(rùn)濕”狀態(tài)轉(zhuǎn)變,表現(xiàn)出抗?jié)櫇裥蕴岣遊3]。另外,Teflon/PVDF 復(fù)合膜的彈性模量較基膜有大幅提高,膜孔不易變形,這也有利于抗?jié)櫇裥缘奶岣遊12]。
濃縮3 倍后,用掃描電鏡觀察了污染膜的表面,并用EDS測(cè)試了鈣元素含量。從圖4的SEM圖看出,PTFE基膜、PVA-PAA/PTFE復(fù)合膜和PVDF基膜表面堆積著大量棒狀和塊狀晶體,EDS譜圖中的Ca 元素含量高達(dá)20%~35%。相比之下,Teflon/PVDF 復(fù)合膜表面跟圖2(d)的新膜接近,且未發(fā)現(xiàn)鈣元素[圖4(d)],可以認(rèn)為T(mén)eflon/PVDF 復(fù)合膜未結(jié)垢,這與圖3的性能是一致的。
圖4 污染后的四種膜的表面SEM圖和EDS圖
本論文比較了PTFE、PVDF 基膜、親水改性PVA-PAA/PTFE 復(fù)合膜和疏水改性Teflon/PVDF 復(fù)合膜的微觀結(jié)構(gòu)和孔徑等物理參數(shù),重點(diǎn)研究了它們?cè)贒CMD中濃縮飽和硫酸鈣溶液中的結(jié)垢和潤(rùn)濕程度,得到如下結(jié)論。
(1)無(wú)論涂覆親水涂層還是疏水涂層后,膜表面孔徑顯著縮小,膜的透氣性降低;膜的表面孔隙率越高,透氣性越好,LEP越低。
(2)PTFE 膜、PVDF 膜和Teflon/PVDF 復(fù)合膜的表面能較低,水下易被煤油潤(rùn)濕。而PVA-PAA/PTFE 復(fù)合膜表面的親水涂層讓它在空氣中親水、水下疏油,在水下能防止油類物質(zhì)的污染,且能延緩SDS的潤(rùn)濕。
(3)當(dāng)分別使用四種膜3倍濃縮飽和硫酸鈣溶液時(shí),PTFE基膜、PVA-PAA/PTFE復(fù)合膜和PVDF基膜有相近的通量衰減幅度,在25%~33%之間,冷凝液電導(dǎo)率有微幅升高,致密親水皮層不能提高疏水膜的抗結(jié)垢能力。
(4)Teflon/PVDF 復(fù)合膜的通量幾乎不衰減,電導(dǎo)率穩(wěn)定,表現(xiàn)出極佳的抗結(jié)垢性能。其優(yōu)異的抗結(jié)垢能力來(lái)源于改性后的低表面能、高粗糙度和高彈性模量。