CN116272376A - 用于膜蒸馏的超疏水薄膜、制备、应用及装置 - Google Patents
用于膜蒸馏的超疏水薄膜、制备、应用及装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116272376A CN116272376A CN202310229485.0A CN202310229485A CN116272376A CN 116272376 A CN116272376 A CN 116272376A CN 202310229485 A CN202310229485 A CN 202310229485A CN 116272376 A CN116272376 A CN 116272376A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- membrane distillation
- laser
- substrate
- scanning
- super
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 111
- 238000004821 distillation Methods 0.000 title claims abstract description 99
- 230000003075 superhydrophobic effect Effects 0.000 title claims abstract description 74
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 53
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 38
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 32
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims abstract description 24
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 33
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 29
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 29
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 claims description 29
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 11
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 8
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 2
- 238000004064 recycling Methods 0.000 claims 1
- 238000002679 ablation Methods 0.000 abstract description 6
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 abstract description 5
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract description 5
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 22
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 17
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 14
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 11
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 11
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 7
- 239000012267 brine Substances 0.000 description 6
- HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M sodium;chloride;hydrate Chemical compound O.[Na+].[Cl-] HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 5
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 5
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 3
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 240000002853 Nelumbo nucifera Species 0.000 description 2
- 235000006508 Nelumbo nucifera Nutrition 0.000 description 2
- 235000006510 Nelumbo pentapetala Nutrition 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 2
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 229910017053 inorganic salt Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 2
- 230000002572 peristaltic effect Effects 0.000 description 2
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 2
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000008094 contradictory effect Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000001523 electrospinning Methods 0.000 description 1
- 230000005661 hydrophobic surface Effects 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 238000013148 permeation assay Methods 0.000 description 1
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 1
- 239000008213 purified water Substances 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
- B01D61/36—Pervaporation; Membrane distillation; Liquid permeation
- B01D61/364—Membrane distillation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D67/00—Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
- B01D69/02—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor characterised by their properties
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2323/00—Details relating to membrane preparation
- B01D2323/34—Use of radiation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2325/00—Details relating to properties of membranes
- B01D2325/38—Hydrophobic membranes
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
本发明提供了一种用于膜蒸馏的超疏水薄膜、制备、应用及装置。该制备方法，包括：提供基材。基材具有第一表面、第二表面和多孔结构，在基材的第一表面和第二表面中的一个，采用激光扫描加工形成多个图案点，得到用于膜蒸馏的超疏水薄膜。激光参数为：中心波长1030nm～1035nm，扫描频率100～200kHz，扫描间隔10～20μm，激光能量2～4W，扫描速度50～600mm/s。通过激光扫描的方式烧蚀形成多个微/纳米结构。该制备方法工艺简单，不需要使用化学试剂，而且对基材热影响面积小、空间分辨率高，微/纳米结构精确可控，均一性好，膜表面浸润性好，具有超疏水性能，且膜蒸馏的分离性能好。
Description
技术领域
本发明涉及超疏水技术领域，尤其涉及一种用于膜蒸馏的超疏水薄膜、制备、应用及装置。
背景技术
自然界中，水滴可在荷叶表面滚动并带走灰尘实现自清洁，是由于其表面分布密集的微米级凸起及其表面纳米级细毛状蜡质物质的共同作用，人们将这种现象称为超疏水现象。研究人员通过模仿在固体表面构建微/纳米结构、降低固体表面能来制备出类似荷叶表面的超疏水材料，并且这种超疏水表面材料已应用广泛于生物制药、医学手术、工业结晶等领域。
自超疏水理论被发现和提出以来，研究人员就对功能性表面结构的构建给予了极大的关注，并实现了在不同材料上构建超疏水表面。而固体表面的超疏水性质通常与表面微/纳结构和化学组分有关，相关技术的制备超疏水表面材料的方法通常采用静电纺丝技术、化学气相沉积法、表面涂覆法、非溶剂诱导相分离法，然而上述方法需要化学试剂和复杂的工艺设备。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种用于膜蒸馏的超疏水薄膜、制备、应用及装置，以解决制备超疏水表面材料的方法需要化学试剂和复杂的工艺设备的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于膜蒸馏的超疏水薄膜的制备方法，包括：
提供基材。基材具有第一表面、第二表面和多孔结构，第一表面和第二表面沿基材的厚度方向相对的第一表面和第二表面，多孔结构贯穿第一表面和第二表面。
在基材的第一表面和第二表面中的一个，采用激光扫描加工形成多个图案点，得到用于膜蒸馏的超疏水薄膜。其中，任一图案点具有多个微/纳米结构。在任一述图案点的加工过程中，激光参数为：中心波长1030nm～1035nm，扫描频率100～200kHz，扫描间隔10～20μm，激光能量2～4W，扫描速度50～600mm/s。
根据本申请的实施方式，激光参数为：中心波长1035nm，扫描频率100kHz，扫描间隔15μm，激光能量2W，扫描速度400mm/s。
根据本申请的实施方式，图案点在第一表面均匀分布，图案点的直径为5mm，相邻两个图案点之间的距离为2.5mm。
根据本申请的实施方式，在任一述图案点的加工过程中，激光为逐行扫描加工，且相邻的两个扫描行首尾相连。
根据本申请的实施方式，基材为聚四氟乙烯平板膜。
根据本申请的实施方式，在采用激光扫描加工形成多个图案点的步骤之前还包括：
将基材依次在乙醇和水中清洗，然后再烘干。
本发明还提供一种上述制备方法制得的用于膜蒸馏的超疏水薄膜。
本发明还提供一种上述的制备方法制得的用于膜蒸馏的超疏水薄膜在膜蒸馏中的应用。
本发明还提供一种膜蒸馏组件，包括上述的制备方法制得的用于膜蒸馏的超疏水薄膜。
本发明还提供一种膜蒸馏装置，包括进料容器、加热机构、第一循环管道、第二循环管道膜、蒸馏组件、回收料容器和冷凝机构。膜蒸馏组件包括上述的制备方法制得的用于膜蒸馏的超疏水薄膜。加热机构作用在第一循环管道或进料容器。冷凝机构作用在第二循环管道或回收料容器。
第一循环管道一端连通进料容器，另一端连通膜蒸馏组件的热侧并返回至进料容器。热侧为膜蒸馏组件中的基材加工形成图案点的所在侧。
第二循环管道一端连通回收料容器，另一端连通膜蒸馏组件的冷侧并返回至回收料容器。冷侧为膜蒸馏组件中与热侧相背的一侧。
上述的用于膜蒸馏的超疏水薄膜的制备方法中，设置激光的合适参数，通过激光扫描的方式在基材的图案点区域烧蚀形成多个微/纳米结构。该制备方法工艺简单，不需要使用化学试剂，而且对基材热影响面积小、空间分辨率高，微/纳米结构精确可控，均一性好，膜表面浸润性好，具有超疏水性能，且膜蒸馏的分离性能好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本申请一实施方式的膜蒸馏装置的结构示意图；
图2是本申请一实施方式的激光加工装置的结构示意图；
图3是本申请对比例1、实施例1～2对应膜正面的表面形貌图；
图4是本申请实施例3～5对应膜正面的表面形貌图；
图5是本申请对比例1、实施例2、实施例4对应膜的剖面在不同放大倍数下的形貌图；
图6是本申请对比例1、实施例1～5的水接触角测试图；
图7是本申请对比例1、实施例1～5的水接触角结果图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施方式，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施方式中所有方向性指示(诸如上、下……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供了一种用于膜蒸馏的超疏水薄膜的制备方法，包括：
提供基材。基材具有第一表面、第二表面和多孔结构，第一表面和第二表面沿基材的厚度方向相对的第一表面和第二表面，多孔结构贯穿第一表面和第二表面。
在基材的第一表面和第二表面中的一个，采用激光扫描加工形成多个图案点，得到用于膜蒸馏的超疏水薄膜。其中，任一图案点具有多个微/纳米结构。在任一述图案点的加工过程中，激光参数为：中心波长1030nm～1035nm，扫描频率100～200kHz，扫描间隔10～20μm，激光能量2～4W，扫描速度50～600mm/s。
基材为厚度较薄的薄片结构，例如150～250μm，具体可以是200μm。基材的第一表面和第二表面基本相同。基材内具有多个细小孔洞，孔洞沿基材的厚度方向贯穿了基材。
激光扫描加工所用的激光为飞秒(10～15s)激光。飞秒激光由飞秒激光器产生。飞秒激光因其极短的脉冲宽度和超高的峰值功率密度而成为微纳制造领域最先进的工具之一。飞秒激光还具有许多独特的特性，如热影响面积小、空间分辨率高、可加工材料范围广、非接触加工，几乎可以加工任何给定的材料，可以通过简单的一步烧蚀直接在材料表面产生微米级和纳米级结构。
直接接触膜蒸馏结合热法和膜分离法的优势、以低品位热源(例如，低温流)为驱动力即可处理和净化高盐度水，且操作压力低、在较低温下进行，对膜的机械强度要求低并且能100％截留非挥发性化合物，大大降低了运行成本，还能可灵活运用于多种场合，如矿物回收、工业结晶、无机盐浓缩。本研究所制备的材料将会用于膜蒸馏以实现更高效的盐水分离。
超疏水薄膜包括多个图案点。多个图案点排列呈现的图形为规则的图形或者不规则的图形。多孔图案可由多种激光加工方式加工而成，包括激光线性连续扫描或不连续地扫描加工，具体的加工方式可根据实际情况进行选择，只需加工出微纳米结构即可。
基材上每个图案点的区域通过激光烧蚀形成多个微/纳米结构。微/纳米结构包括凹槽和凸起，形成多孔结构。
请参照附图2，具体的激光加工装置可根据实际需要进行选择，在本实施例中，采用一激光加工装置，包括激光器1、第一反射镜2、第二反射镜3、第三反射镜4、振镜5、加工平台、电脑7、吸尘装置8。基材6放置在加工平台上，振镜5位于加工平台上方，吸尘装置8位于加工平台与振镜5边上并与外界空气相连通，其使用方法为激光光束首先从激光器1中出来，先后经过第一反射镜2、第二反射镜3以及第三反射镜4进入振镜5，最后聚焦在基材6的表面，加工的图形以及能量频率等参数是由电脑7进行绘制和设置，同时，整个加工过程中，除尘装置8一直处于工作状态。
本发明一具体实施例中的膜蒸馏的超疏水薄膜的制备示例，其中，激光加工的参数为：中心波长1030nm～1035nm，扫描频率100～200kHz，扫描间隔10～20μm，激光能量2～4W，扫描速度50～600mm/s。
激光在基材上图案点的区域移动，图案点的区域烧蚀，形成一个扫描行。激光的移动速度称为激光的扫描速度。每个图案点需要激光进行多行扫描，每个扫描行之间的间隔称为扫描间隔。基材被扫描后形成的微/纳米结构的厚度随着扫描速度的减小而增大，但并不会灼穿基材，只对表面改性。
上述的用于膜蒸馏的超疏水薄膜的制备方法中，设置激光的合适参数，通过激光扫描的方式在基材的图案点区域烧蚀形成多个微/纳米结构。该制备方法工艺简单，不需要使用化学试剂，而且对基材热影响面积小、空间分辨率高，微/纳米结构精确可控，均一性好，膜表面浸润性好，具有超疏水性能，且膜蒸馏的分离性能好。
本发明制备方法简单快速，环境友好，所制得的超疏水表面材料结构性稳定，可量产，适合工业化生产应用。
根据本申请的实施方式，激光参数为：中心波长1035nm，扫描频率100kHz，扫描间隔15um，激光能量2W，扫描速度400mm/s。
根据本申请的实施方式，图案点在第一表面均匀分布，图案点的直径为5mm，相邻两个图案点之间的距离为2.5mm。
根据本申请的实施方式，在任一述图案点的加工过程中，激光为逐行扫描加工，且相邻的两个扫描行首尾相连。即激光以“弓”字形的方式进行扫描。
根据本申请的实施方式，基材为聚四氟乙烯平板膜。聚四氟乙烯平板膜是表面能较低的有机材料高分子材料，具有良好的柔性、耐腐蚀性、压电性等优点，因此被用做超疏水表面材料基材。
根据本申请的实施方式，在采用激光扫描加工形成多个图案点的步骤之前还包括：
将基材依次在乙醇和水中清洗，然后再烘干。
为了进一步提高用于膜蒸馏的超疏水薄膜的质量，在加工之前可以对基材进行清洗，去除其表面的杂质。例如，将对基材依次放入乙醇(例如，无水乙醇)和水(例如，去离子水)清洗，示例性地，先放入无水乙醇中超声清洗3～10min，然后再放入去离子水中超声清洗3～10min，以除去基材表面的有机物、无机物等杂质，然后放入烘箱中烘干，如在60℃下烘干。
根据本申请的实施方式，在采用激光扫描加工形成多个图案点的步骤之后还包括：
去除激光扫描后的基材的碎屑。
激光扫描后的基材表面存留一定碎屑，可以通过洗涤的方式去除，如用去离子水冲洗后干燥的方式清除掉碎屑。
根据本申请的实施方式，还包括将激光扫描后的基材暴露于空气中，时间＞7天，即可得到接触角均大于150°、滚动角小于10°的超疏水聚偏氟乙烯平板膜表面。
本发明还提供一种上述制备方法制得的用于膜蒸馏的超疏水薄膜。
本发明还提供一种上述的制备方法制得的用于膜蒸馏的超疏水薄膜在膜蒸馏中的应用。如，用于膜蒸馏的超疏水薄膜在回收净化水，无机盐浓缩回收中的应用。
本发明还提供一种膜蒸馏组件，包括上述制备方法制得的用于膜蒸馏的超疏水薄膜。
本发明还提供一种膜蒸馏装置，包括进料容器10、加热机构20、第一循环管道30、第二循环管道70、膜蒸馏组件40、回收料容器50和冷凝机构60。膜蒸馏组件40包括上述任一项的制备方法制得的用于膜蒸馏的超疏水薄膜。
第一循环管道30一端连通进料容器10，另一端连通膜蒸馏组件40的热侧41并返回至进料容器10。热侧41为膜蒸馏组件40中的基材加工形成图案点的所在侧。加热机构20作用在第一循环管道30或进料容器10。冷凝机构60作用在第二循环管道70或回收料容器50。
第二循环管道70一端连通回收料容器50，另一端连通膜蒸馏组件40的冷侧42并返回至回收料容器50。冷侧42为膜蒸馏组件40中与热侧41相背的一侧。
进料容器10用于容纳待膜蒸馏的待处理液。第一循环管道30中可以包括输送泵(如第一蠕动泵31)，使得待处理液在进料容器10、第一循环管道30、膜蒸馏组件40的热侧41之间循环流动。
加热机构20可以设置在第一循环管道30或进料容器10旁，对第一循环管道30或进料容器10进行加热，使得待处理液在到达膜蒸馏组件40的热侧41温度相对较高，如60～65。在一些实施例中，第一循环管道30和/或进料容器10可以设置测温组件32，如温度计，以实时或间歇式监测待处理液的温度。加热机构20可以以此为参考，根据测量结果运行，较为精确控制待处理液的温度。
在膜蒸馏组件40的热侧41，蒸汽通过超疏水薄膜的微/纳米结构到达膜蒸馏组件40的冷侧42。其余溶液仍旧随第一循环管道30返回至进料容器10。
回收料容器50用于容纳膜蒸馏的回收液。第二循环管道70中可以包括输送泵(如第二蠕动泵71)，使得回收液在回收料容器50、第二循环管道70、膜蒸馏组件40的冷侧42之间循环流动。
冷却机构如冷凝器可以设置在第二循环管道70或回收料容器50旁，对第二循环管道70或回收料容器50进行冷却，使得回收液在到达膜蒸馏组件40的冷侧42时温度相对较低，如15～20。这样一来，到达膜蒸馏组件40的冷侧42的蒸汽遇到温度相对较低的回收液，冷凝成液体，随第二循环管道70返回至回收料容器50。
在一些实施例中，第二循环管道70和/或回收料容器50可以设置电导仪72，实时监测回收液的电导率。
以下结合具体的实施例，对本申请的技术方案进行说明。
实施例1
提供基材。基材为聚四氟乙烯平板膜。聚四氟乙烯平板膜具有多孔结构。
在基材的第一表面，采用激光扫描加工形成多个图案点，得到用于膜蒸馏的超疏水薄膜。其中，任一图案点具有多个微/纳米结构。在任一述图案点的加工过程中，激光参数为：脉冲宽度350fs，激光中心波长为1035nm，重复频率为100kHz，其中聚四氟乙烯采用扫面间隔为15μm，激光能量2W，扫描速度为600mm/s。
将用于膜蒸馏的超疏水薄膜暴露于空气中，时间＞7天，进行降低表面能处理，即可得到稳定的超疏水表面材料。
将制备好的材料应用于直接接触膜蒸馏实验，以分离盐水。
其中，膜通量J(kg/(m2 h))计算公式如下：
式中，Δm(kg)，A(m2)和t(h)分别代表t小时内渗透测的质量变化、有效膜面积和***运行时间。截留率R计算公示如下：
式中，Cf和Cp分别代表进料测和渗透测溶液浓度。测得第1h渗透通量为2.94kg/m2h，截留率99.99％；第8h渗透通量为1.94kg/m2h，截留率99.98％，电导率上升1.567μs/cm。渗透通量和截留率是衡量膜蒸馏效果好坏的重要因素。渗透通量越稳定，截留率越高，说明膜蒸馏效果好。
实施例2
提供基材。基材为聚四氟乙烯平板膜。聚四氟乙烯平板膜具有多孔结构。
在基材的第一表面，采用激光扫描加工形成多个图案点，得到用于膜蒸馏的超疏水薄膜。其中，任一图案点具有多个微/纳米结构。在任一述图案点的加工过程中，激光参数为：脉冲宽度350fs，激光中心波长为1035nm，重复频率为100kHz，其中聚四氟乙烯采用扫面间隔为15μm，激光能量2W，扫描速度为400mm/s。
将用于膜蒸馏的超疏水薄膜暴露于空气中，时间＞7天，进行降低表面能处理，即可得到稳定的超疏水表面材料。
将制备好的材料应用于直接接触膜蒸馏实验，以分离盐水。
测得第1h渗透通量为3.44kg/m2h，截留率100％；第8h渗透通量为2.5kg/m2h，截留率99.99％，电导率上升1.242μs/cm。
实施例3
提供基材。基材为聚四氟乙烯平板膜。聚四氟乙烯平板膜具有多孔结构。
在基材的第一表面，采用激光扫描加工形成多个图案点，得到用于膜蒸馏的超疏水薄膜。其中，任一图案点具有多个微/纳米结构。在任一述图案点的加工过程中，激光参数为：脉冲宽度350fs，激光中心波长为1035nm，重复频率为100kHz，其中聚四氟乙烯采用扫面间隔为15μm，激光能量2W，扫描速度为200mm/s。
将用于膜蒸馏的超疏水薄膜暴露于空气中，时间＞7天，进行降低表面能处理，即可得到稳定的超疏水表面材料。
将制备好的材料应用于直接接触膜蒸馏实验，以分离盐水。
测得第1h渗透通量为3.75kg/m2h，截留率100％；第8h渗透通量为2.63kg/m2h，截留率99.99％，电导率上升1.427μs/cm。
实施例4
提供基材。基材为聚四氟乙烯平板膜。聚四氟乙烯平板膜具有多孔结构。
在基材的第一表面，采用激光扫描加工形成多个图案点，得到用于膜蒸馏的超疏水薄膜。其中，任一图案点具有多个微/纳米结构。在任一述图案点的加工过程中，激光参数为：脉冲宽度350fs，激光中心波长为1035nm，重复频率为100kHz，其中聚四氟乙烯采用扫面间隔为15μm，激光能量2W，扫描速度为100mm/s。
将用于膜蒸馏的超疏水薄膜暴露于空气中，时间＞7天，进行降低表面能处理，即可得到稳定的超疏水表面材料。
将制备好的材料应用于直接接触膜蒸馏实验，以分离盐水。
测得第1h渗透通量为2.94kg/m2h，截留率99.99％；第8h渗透通量为2.31kg/m2h，截留率99.99％，电导率上升1.418μs/cm。
实施例5
提供基材。基材为聚四氟乙烯平板膜。聚四氟乙烯平板膜具有多孔结构。
在基材的第一表面，采用激光扫描加工形成多个图案点，得到用于膜蒸馏的超疏水薄膜。其中，任一图案点具有多个微/纳米结构。在任一述图案点的加工过程中，激光参数为：脉冲宽度350fs，激光中心波长为1035nm，重复频率为100kHz，其中聚四氟乙烯采用扫面间隔为15μm，激光能量2W，扫描速度为50mm/s。
将用于膜蒸馏的超疏水薄膜暴露于空气中，时间＞7天，进行降低表面能处理，即可得到稳定的超疏水表面材料。
将制备好的材料应用于直接接触膜蒸馏实验，以分离盐水。
测得第1h渗透通量为3.19kg/m2h，截留率99.99％；第8h渗透通量为2.38kg/m2h，截留率99.99％，电导率上升1.415μs/cm。
对比例1
原始聚四氟乙烯膜测得第1h渗透通量为2.69kg/m2h，截留率96.98％；第8h渗透通量为2.63kg/m2h，截留率96.93％，电导率上升1.655μs/cm。
比较实施例1～5和对比例1，原始聚四氟乙烯膜的渗透通量稳定，但截留率相对不高，电导率上升较快，实施例1～5的用于膜蒸馏的超疏水薄膜初始通量高且截留率仍保持较高水平，电导率上升速度缓慢。截留率越高继续提升越困难，而实施例1～5的用于膜蒸馏的超疏水薄膜截留率可高达99.99％。
测试例1
取对比例1的原始聚四氟乙烯膜、实施例1～5的用于膜蒸馏的超疏水薄膜在扫描电子显微镜下进行扫描，观察各种膜正面的表面形貌。参见图3和图4，其中，对比例1的原始聚四氟乙烯膜、实施例1～2的用于膜蒸馏的超疏水薄膜对应的电镜图分别由M0、M1、M2进行标识，即分别为图3A、图3B、图3C。实施例3～5的用于膜蒸馏的超疏水薄膜对应的电镜图分别由M3、M4、M5进行标识，即分别为图4D、图4E、图4F。图3和图4中的箭头为扫描方向。
原始聚四氟乙烯膜表面有致密的纤维状孔，表面较光滑，此刻无微纳米结构，为疏水性表面。用于膜蒸馏的超疏水薄膜表面有激光行扫后留下类似通道的印迹，表面更为粗糙，且随着扫描速度越慢，表面的微纳米结构越多，表面粗糙度越大。
测试例2
取对比例1的原始聚四氟乙烯膜、实施例2的用于膜蒸馏的超疏水薄膜和实施例4的用于膜蒸馏的超疏水薄膜在扫描电子显微镜下进行扫描，观察各种膜的剖面形貌。
参见图5，其中，对比例1的原始聚四氟乙烯膜、实施例2的用于膜蒸馏的超疏水薄膜和实施例4的用于膜蒸馏的超疏水薄膜对应的电镜图的不同放大倍数分别由M0、M2、M4进行标识。
从图2中，可以明显看出激光烧蚀后膜结构变化，激光扫描速度越慢，各膜的烧蚀深度越深，但并未灼穿膜。各膜的烧蚀深度如下表所示。
测试例3
取对比例1的原始聚四氟乙烯膜、实施例1～5的用于膜蒸馏的超疏水薄膜分别通过接触角测量仪测试水接触角，结果如图6、图7和下表所示。对比例1、实施例1～5的水接触角测试图依次如图6A、图6B、图6C、图6D、图6E和图6F所示。
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 对比例1 | |
| 水接触角 | 159.628 | 160.302 | 165.539 | 161.701 | 158.489 | 116.544 |
可见，实施例1～5的用于膜蒸馏的超疏水薄膜相比原始聚四氟乙烯膜，水接触角得到明显提升，具有较好的超疏水性能。
本发明的上述技术方案中，以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的技术构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围。
Claims (10)
1.一种用于膜蒸馏的超疏水薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
提供基材，所述基材具有第一表面、第二表面和多孔结构，所述第一表面和第二表面沿所述基材的厚度方向相对的第一表面和第二表面，所述多孔结构贯穿所述第一表面和所述第二表面；
在所述基材的所述第一表面和所述第二表面中的一个，采用激光扫描加工形成多个图案点，得到所述超疏水薄膜；其中，任一所述图案点具有多个微/纳米结构；在任一述图案点的加工过程中，所述激光参数为：中心波长1030nm～1035nm，扫描频率100～200kHz，扫描间隔10～20μm，激光能量2～4W，扫描速度50～600mm/s。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述激光参数为：中心波长1035nm，扫描频率100kHz，扫描间隔15μm，激光能量2W，扫描速度400mm/s。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述图案点在所述第一表面均匀分布，所述图案点的直径为5mm，相邻两个所述图案点之间的距离为2.5mm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在任一述图案点的加工过程中，所述激光为逐行扫描加工，且相邻的两个扫描行首尾相连。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基材为聚四氟乙烯平板膜。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的制备方法，其特征在于，在采用激光扫描加工形成多个图案点的步骤之前还包括：
将所述基材依次在乙醇和水中清洗，然后再烘干。
7.一种权利要求1～6中任一项所述的制备方法制得的用于膜蒸馏的超疏水薄膜。
8.一种权利要求1～6中任一项所述的制备方法制得的用于膜蒸馏的超疏水薄膜在膜蒸馏中的应用。
9.一种膜蒸馏组件，其特征在于，包括权利要求1～6中任一项所述的制备方法制得的用于膜蒸馏的超疏水薄膜。
10.一种膜蒸馏装置，其特征在于，包括进料容器、加热机构、第一循环管道、第二循环管道、膜蒸馏组件、回收料容器和冷凝机构；所述膜蒸馏组件包括权利要求1～6中任一项所述的制备方法制得的用于膜蒸馏的超疏水薄膜；所述加热机构作用在所述第一循环管道或所述进料容器；所述冷凝机构作用在所述第二循环管道或所述回收料容器；
所述第一循环管道一端连通所述进料容器，另一端连通所述膜蒸馏组件的热侧并返回至所述进料容器；所述热侧为所述膜蒸馏组件中的基材加工形成图案点的所在侧；
所述第二循环管道一端连通所述回收料容器，另一端连通所述膜蒸馏组件的冷侧并返回至所述回收料容器；所述冷侧为所述膜蒸馏组件中与所述热侧相背的一侧。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310229485.0A CN116272376A (zh) | 2023-03-10 | 2023-03-10 | 用于膜蒸馏的超疏水薄膜、制备、应用及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310229485.0A CN116272376A (zh) | 2023-03-10 | 2023-03-10 | 用于膜蒸馏的超疏水薄膜、制备、应用及装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116272376A true CN116272376A (zh) | 2023-06-23 |
Family
ID=86816300
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310229485.0A Pending CN116272376A (zh) | 2023-03-10 | 2023-03-10 | 用于膜蒸馏的超疏水薄膜、制备、应用及装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116272376A (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107158953A (zh) * | 2017-07-18 | 2017-09-15 | 中国科学院生态环境研究中心 | 一种膜蒸馏用纳米线疏水膜的制备方法 |
| CN109396665A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-03-01 | 华中科技大学 | 一种利用皮秒激光制备油水分离膜的方法 |
| WO2019119125A1 (en) * | 2017-12-18 | 2019-06-27 | Saudi Membrane Distillation Desalination Co. Ltd. | Super-hydrophobic nano-porous/micro-porous composite membranes for membrane distillation operating at low inlet feed temperatures with low energy consumption |
| WO2020073064A1 (en) * | 2018-10-04 | 2020-04-09 | University Of South Africa | Membranes for membrane distillation desalination technology |
| CN112605531A (zh) * | 2020-12-21 | 2021-04-06 | 中国石油大学(华东) | 一种飞秒激光制备结构及浸润性可调控防冰聚四氟乙烯超疏水表面的方法 |
| CN114014260A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-02-08 | 中南大学 | 一种耐摩擦超疏水表面材料及制备方法 |
| CN114101920A (zh) * | 2021-11-22 | 2022-03-01 | 湖北科技学院 | 一种基于皮秒激光构建异性超疏水聚四氟乙烯的方法 |
-
2023
- 2023-03-10 CN CN202310229485.0A patent/CN116272376A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107158953A (zh) * | 2017-07-18 | 2017-09-15 | 中国科学院生态环境研究中心 | 一种膜蒸馏用纳米线疏水膜的制备方法 |
| WO2019119125A1 (en) * | 2017-12-18 | 2019-06-27 | Saudi Membrane Distillation Desalination Co. Ltd. | Super-hydrophobic nano-porous/micro-porous composite membranes for membrane distillation operating at low inlet feed temperatures with low energy consumption |
| CN111491717A (zh) * | 2017-12-18 | 2020-08-04 | 沙特膜蒸馏脱盐有限公司 | 注入口低进料温度和低能耗下用于膜蒸馏的超疏水纳米多孔/微米多孔复合膜 |
| WO2020073064A1 (en) * | 2018-10-04 | 2020-04-09 | University Of South Africa | Membranes for membrane distillation desalination technology |
| CN109396665A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-03-01 | 华中科技大学 | 一种利用皮秒激光制备油水分离膜的方法 |
| CN112605531A (zh) * | 2020-12-21 | 2021-04-06 | 中国石油大学(华东) | 一种飞秒激光制备结构及浸润性可调控防冰聚四氟乙烯超疏水表面的方法 |
| CN114101920A (zh) * | 2021-11-22 | 2022-03-01 | 湖北科技学院 | 一种基于皮秒激光构建异性超疏水聚四氟乙烯的方法 |
| CN114014260A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-02-08 | 中南大学 | 一种耐摩擦超疏水表面材料及制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Allahyari et al. | Laser surface texturing of copper and variation of the wetting response with the laser pulse fluence | |
| CN106583930A (zh) | 基于飞秒激光直写钛片实现湿润性可逆转化的方法 | |
| Shi et al. | Texturing of metallic surfaces for superhydrophobicity by water jet guided laser micro-machining | |
| CN109623137B (zh) | 一种聚四氟乙烯表面水粘附力的精确连续调控方法 | |
| CN112605531B (zh) | 一种飞秒激光制备结构及浸润性可调控防冰聚四氟乙烯超疏水表面的方法 | |
| Du et al. | Fabrication of superhydrophobic/superhydrophilic patterns on polyimide surface by ultraviolet laser direct texturing | |
| CN106586950B (zh) | 一种基于润湿性调控的微纳自组装结构制备方法 | |
| CN109396665A (zh) | 一种利用皮秒激光制备油水分离膜的方法 | |
| CN108466015B (zh) | 一种纳米结构三维分布的超双疏金属表面及其制备方法 | |
| CN109701298B (zh) | 润湿性渐变的超亲和超亲-超疏气体铜箔及其制备方法及定位收集装置 | |
| CN114101920B (zh) | 一种基于皮秒激光构建异性超疏水聚四氟乙烯的方法 | |
| Tang et al. | Super-hydrophobic transparent surface by femtosecond laser micro-patterned catalyst thin film for carbon nanotube cluster growth | |
| Zhang et al. | Femtosecond laser direct weaving bioinspired superhydrophobic/hydrophilic micro-pattern for fog harvesting | |
| JP2020146725A (ja) | 金属表面の濡れ性の制御方法 | |
| CN116272376A (zh) | 用于膜蒸馏的超疏水薄膜、制备、应用及装置 | |
| EP4235750A2 (en) | Method of selectively varying the wetting characteristics of a surface | |
| Lai et al. | Superhydrophilic–superhydrophobic template: a simple approach to micro-and nanostructure patterning of TiO2 films | |
| Yang et al. | Femtosecond laser processing of AlN ceramics for gradient wettability control | |
| Jha et al. | Micro-patterning in anodic oxide film on aluminium by laser irradiation | |
| CN101086614B (zh) | 一种微米级特征的三维辊压模具及其制造方法 | |
| Li et al. | Laser-induced hydrophobicity on Ti-6Al-4V surface | |
| Martínez-Calderon et al. | Femtosecond laser manufacturing of highly hydrophobic hierarchical structures fabricated by combining surface microstructures and LIPSS | |
| CN109732196A (zh) | 一种改性黄铜表面及其制备方法与应用 | |
| Lazzini et al. | Surface morphologies in ultra-short pulsed laser processing of stainless-steel at high repetition rate | |
| Kim et al. | Superhydrophobicity and corrosion resistance of AISI 4140 mold made through nanosecond laser texturing |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |