随中国海水淡化技术一同成长 高从堦院士访谈录

高从堦,1942年11月出生于山东即墨,海洋化学学家,浙江工业大学教授,长期从事海水淡化和液体分离膜工程技术研究与开发工作。1965年毕业于山东海洋学院化学系,1967—1969年参加全国海水淡化会战,1982—1984年在加拿大滑铁卢大学作访问学者,1995年当选为中国工程院院士。高从堦是我国膜分离领域的首位院士,也是海水淡化领域唯一的院士,他的科研经历始于20世纪60年代,他几乎完整地参与和见证了我国膜法海水淡化技术的发展过程。一般而言,对于技术演进的思考可以从技术、社会和人三个维度进行考量,三者有机联系共同构成了技术演进的图景。而人作为技术与社会相互型塑的纽带,又是技术思考的核心。高从堦的学术成长之路对于研究我国膜法海水淡化技术的演进历程具有独特的意义。2015年12月—2018年12月,笔者从事海水淡化科技管理工作期间,数次对高从堦院士进行信件交流和访谈,试图通过探索他的成长背景、工作经历、学术成就及影响,从一个侧面反映我国膜法海水淡化技术的发展。

新型复合膜制备工艺研究

以间苯二胺(MPD)为水相单体,均苯三甲酰氯(TMC)为油相单体,采用低温界面聚合方法在聚砜超滤底膜表面制备聚酰胺反渗透膜,无需传统烘箱热处理,考察了界面聚合过程中反应温度、水浴温度及时间对膜性能的影响。结果表明,水相温度为35℃、油相温度为50℃,90℃条件下水浴后处理1 min制备得到的膜性能最佳。该复合膜在25℃、1.05 MPa条件下,以1500 mg/L的NaCl溶液为进料液进行性能测试,截留率为99.5%,水通量为70 L/(m^(2)·h),获得良好的分离效果。本研究提供低温界面聚合制备反渗透膜工艺的探索,可运用于海水淡化等领域。

聚多巴胺-氧化石墨烯-碳纳米管层状复合脱盐膜的制备及性能稳定性研究

二维纳米材料氧化石墨烯(GO)可通过层层堆叠成膜、构建层间毛细孔道,用于脱盐应用。然而,GO膜在运行过程中的渗透性能及其稳定性都有待提升。以亲水的碳纳米管(CNTs)为改性物,在聚多巴胺(PDA)修饰的基膜上交替喷涂多层GO(MLGO)和CNTs,制备出了多元层状复合脱盐膜。当MLGO-CNTs的单位面积质量为72 mg/m^(2)时,复合膜在5 bar操作压力下对1 g/L Na_(2)SO_(4)溶液的盐截留率最高达到92.8%,水通量最高可达到4.8 L/(m^(2)·h·bar),较PDA-MLGO膜提高了71.4%。在400 h的连续错流过滤实验中,复合膜的水通量稳定性高于PDA-MLGO膜。CNTs的管内空间和MLGO-CNTs组装间隙为复合膜引入了有效的渗透通道。

DES改变胺单体扩散速率制备高性能复合反渗透膜

在常用的提高复合膜性能的方法中,调控复合膜形成的关键步骤界面聚合(IP)是一种简单且有效的方法。然而,对低共熔溶剂在界面聚合过程中的影响研究相对较少,在此,本文提出了将低共熔溶剂(DES)引入界面聚合过程中,制备了聚酰胺复合反渗透膜。采用傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、场发射扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)等对复合膜的结构和物化性质进行了表征。考察了DES的加入量对反渗透膜性能的影响,并系统地分析了黏度对胺单体扩散速率的影响。得出了DES添加量为5%时,复合膜综合性能最佳,通量为63L/(m^(2)·h),截留率为99%。研究结果表明:DES的掺入使膜表面粗糙度降低、亲水性和电负性增强,此外,相比于未改性的复合膜,DES改性后的复合反渗透膜通量都有所提升。这项工作对制备出高性能的复合膜具有重要意义。

聚酰胺/醋酸纤维素复合正渗透膜的制备及相转化工艺参数的优化

正渗透(forward osmosis,FO)分离技术具有低操作压力、低能耗、膜污染程度轻等优点,可能成为解决世界上水资源匮乏和能源短缺等极具挑战性问题的潜在方案。然而,正渗透技术缺乏性能优异且稳定的FO膜被认为是限制其发展及应用的主要障碍之一。本文从调控相转化工艺参数出发,通过改变铸膜液中的致孔剂种类以及操作参数(涂布厚度、溶剂蒸发时间和凝固浴温度)来实现对醋酸纤维素(cellulose acetate,CA)基底结构和性能的有效调控,并采用界面聚合(interfacial polymerization,IP)的方法在这种亲水的多孔基底上制备聚酰胺(polyamide,PA)分离层,得到薄膜复合正渗透(TFC-FO)膜。实验结果表明,用10%(质量分数)CA、致孔剂A等组成的铸膜液在150μm浇铸刀下涂布,立即浸入25℃凝固浴相转化制得CA基底,再经界面聚合所得的TFC-FO膜的渗透选择性最佳,以1mol/L NaCl溶液作为汲取液,去离子水作为原料液,膜的FO水通量达10.94L/(m^(2)·h),反向盐通量为0.0500mol/(m^(2)·h),对NaCl的截留率为95.0%,结构参数为1404μm。

固态溶剂法制备超薄混合基质膜用于分子筛分

分离过程在化工生产、国民经济和国防建设等方面具有重要意义,膜分离技术因高效、节能和环境友好的特点扮演着重要角色。混合基质膜结合了分子筛材料的高渗透分离性能和聚合物膜的良好加工性,近年来成为研究热点。本文主要介绍了混合基质膜的发展以及突破性工作。随着填料类型的丰富,混合基质膜在多种分离场景中表现良好。最近,南京工业大学膜研究团队提出了“固态溶剂法”制备混合基质膜,膜厚可控制在100 nm以下、掺杂量提高了2~4倍,实现了膜渗透性和选择性数量级的提升。该方法构建了一种以填料为主、聚合物为辅的新型混合基质膜结构,在保留良好加工性和放大制备前景的同时,将混合基质膜分离性能推向了类无机分子筛膜的新高度。

正渗透-水纯化和脱盐的新途径

正渗透作为一种潜在的水纯化和淡化新技术,国际上正对其进行着多角度、深层次的理论研究和实践探索。本文综述了正渗透的原理、当前的发展水平及其现存问题,旨在引起我国相关领域科研人员对它的重视。

pH和温度双响应性的微凝胶复合膜的制备及油水分离性能研究

在外部能量刺激下具有浸润性智能可切换的刺激响应膜材料在按需油水分离方面备受关注.在此本文通过向聚偏氟乙烯(PVDF)铸膜液中加入一种具有pH和温度双刺激响应的P-PDA微凝胶,接着采用乙醇作为凝固浴通过相转化的方式制备出了一种具有pH和温度双刺激响应性的微凝胶复合膜(M2),并考察了不同温度和pH对膜表面浸润性能的影响及机理,同时探究了膜的自清洁性能及其对不同类型的油水乳液的分离性能.研究发现,M2膜在空气中表现出高疏水性(147.2°)和超亲油性(0°).在pH=7时,随着温度的升高,膜的水接触角不断增加,并且在30~35℃区间内观察到明显的变化,水接触角从149.3°上升到153.5°.当膜被pH=13水预处理后,空气中的高疏水性和超亲油性转变为亲水性和水下超疏油性.由于M2膜具有可切换的浸润性,仅在重力驱动下成功实现了对W/O和O/W乳液的有效分离,分离效率均大于98.5%,且具有优异的自清洁性能.

纳滤膜及其应用

随着膜技术的发展,20世纪80年代出现的纳滤膜弥补了反渗透与超滤之间的空白。纳滤膜(nanofiltra tionmembrane,NF)又称"疏松型"反渗透膜。通常情况下,膜的截留相对分子质量界限为200～1000,与截留相对分子质量相对应的膜孔径为1～3nm,故将这类膜称为纳滤膜。纳滤膜可以截留糖类等低相对分子质量有机物和高价无机盐(如MgSO4等),但对单价无机盐的截留率低(仅为10%～80%),具有相当大的透过能力。由于单价盐可以自由透过纳滤膜,使得膜两侧因离子浓度不同而造成的渗透压差远远低于反渗透膜。在相同通量条件下,纳滤膜所要求的驱动压力比反渗透膜要低得多。一般纳滤的操作压力为0.5～1.5MPa。由于纳滤膜的这种独特分离性能,确定了它在水软化和低相对分子质量有机物纯化浓缩的地位。此外,纳滤膜能有效去除许多中等相对分子质量溶质,如消毒副产物的前驱物、残留农药和某些色素等,因而在水净化处理和脱色中得到广泛的应用。

聚酰胺反渗透复合膜成膜机理初探

为了更好地把握聚酰胺类复合膜的成膜规律,以指导复合膜的进一步提高,本文对其成膜机理进行了初步探讨,这主要包括单体、官能团、反应活性、反应过程和有关参数的影响等,即从热力学和动力学的几个方面的初步认识。本研究为制备高性能和高分子量的复合膜提供了必要的参考。

反渗透海水淡化技术现状和展望

反渗透膜技术于20世纪60年代取得突破性进展,促使反渗透海水淡化在近50年间高速发展,淡化产能自20世纪90年代起激增。海水反渗透(SWRO)淡化已成为目前投资最省、成本最低的利用海水制备饮用水的过程。文中主要对海水反渗透淡化的发展状况进行了介绍,如膜和组件的改进,关键设备高压泵和能量回收装置效率的提高,多种工艺过程的不断发展,包括预处理和后处理的新工艺,以及对环境的影响和相应对策等。反渗透技术的发展也推动了其他膜分离技术的进步,并扩展其应用领域。预计在不久的将来,膜技术在海水淡化和水再利用、扩大和保护水资源、循环经济、清洁生产、改造传统产业、节能减排及提高人民生活水平等方面发挥的作用会越来越显著。

反渗透复合膜技术进展和展望

简要介绍反渗透复合膜的发展现状和趋势.自1978年全芳香族聚酰胺复合膜的成功及其产业化,大大地促进了膜科技和海水淡化的发展,膜的品种不断增多,膜的性能不断提高,低压、超低压、极低压、高脱盐率、高通量、耐污染和抗氧化等一系列的各种复合膜相继进入市场.文章简述了膜材料的选择、传递机理(如:溶解扩散模型、优先吸附-毛细孔流动模型、氢键传递和水与离子通道等)、新的功能单体合成、支撑膜的改进、界面聚合的参数调控和后处理、有机-纳米无机粒子杂化、水通道和离子通道的建立和仿生等的研究进展和发展趋势.

膜接触器及相关过程

膜接触过程是一个相当广义的膜过程，它包括膜蒸馏、膜萃取、膜吸收、膜吸附、膜汽提和渗透萃取等。其主要优点是膜的堆砌密度高，可提供极大的膜面积，使接触的两种介质间进行传递；其主要缺点是膜的传质阻力较大和不稳定性等。本文简要综述了这一过程的主要方面，各种膜接触器，相关过程，应用和潜在应用等。

渗透汽化分离有机物(英文)

用不同的方法制备了几种分离有机物的膜 ,如CA/PAN、PVA/PAN的复合膜 ,以及含金属离子载体的PVA膜 ,这些膜是复合膜或非对称膜 .测量了膜材料 (CA和PVA -Men + )的吸附特性并评价了其性能 .结果表明 ,CA和CTA膜以及几种复合膜适于分离MTBE/MeOH ,修正的溶解 -扩散模型可成功地估算MTBE/MeOH透过CA膜的渗透汽化分离性能 .从初步吸附试验看 ,含金属离子载体的PVA膜对分离苯 /环乙烷体系可能是一好的候选膜 .

集成膜过程

文章扼要阐述了部分集成膜过程在水净化、废液处理和清洁生产中的应用 ,如纯水和超纯水制备、饮用水净化、污水处理和回用、有机废水处理、乳清综合利用和海水淡化等 。

反渗透膜分离技术的创新性进展

水是地球上不可替代的宝贵的自然资源,是人类赖以生存和生产的不可缺少的基本物质.当前缺水已成为世界性问题,成为制约社会进步和经济发展的瓶颈,解决水资源的供需矛盾,对我国的可持续发展是非常迫切的和重要的.用海水淡化技术向大海要淡水,是自古以来人们所梦寐以求的,现在已变为现实,其中反渗透法海水淡化发展最为迅速,不仅技术上完全可行,而且在许多情况下是最经济的选择.简述了自上世纪50年代以来反渗透法海水淡化(SWRO)的提出和发展概况;重点介绍了反渗透不对称膜和复合膜的发展,特别是复合膜品种的不断增多与性能的不断改进和提高;中空纤维和卷式反渗透膜组器技术的创新,特别是卷式反渗透膜组器的设计和制备技术的改进及组器的性能提高和大型化;效率不断提高的高压泵和能量回收装置,特别是能量回收装置结构形式的不断改进和能量回收效率的不断提高;实用于不同要求的各种SWRO工艺,如二级海水淡化工艺、一级海水淡化工艺、高压一级海水淡化工艺、高效两段海水淡化工艺、SWRO与纳滤(NF)、与多级闪蒸(MSF)或多效(MED)集成的海水淡化工艺以及微滤(MF)或超滤(UF)作为预处理等,另外,简述了大型反渗透法海水淡化厂对环境的影响,如与能耗相关的CO2的排放、浓海水排海、占地、噪音和景观等;最后对反渗透技术的延伸进行了简介.

增强聚砜酰胺反渗透膜及其改性的研究

本文选用聚砜酰胺(PSA)为膜材料,以工业化生产为目标,进行了增强PSA反渗透膜成膜工艺的实验室系统研究,这包括配方,增强方法和成膜过程工艺条件控制等的探讨。针对该膜通量较低的问题,对PSA 进行了化学改性,初步的改性表明,该膜仍有进一步改进的潜力。在小试基础上进行了连续制备400 mm 宽的膜的初步放大试验,证实了放大工艺的可能性。

加快我国海水利用技术产业发展及政策

海水是重要的水资源和化学物质资源 ,在陆地物质资源日益减少 ,淡水资源日益短缺的情况下 ,重视我国海水利用产业技术产业的发展具有重要意义。为此 ,应当从增强资源意识 ,加强对海水资源开发利用管理和产业调整 ,制定扶持政策和法规 ,建立示范工程和示范区 ,支持技术装备研发等方面加快我国海水利用技术产业发展。

膜技术在水处理中的应用

随着化工的发展,各种分离单元操作逐渐建立、发展和完善起来,如沉降、结晶、过滤、离心、洗涤、吸附、吸收、干燥、浮选、气浮、汽提、萃取、蒸发、蒸馏、电解、电泳和膜分离等。这些单元操作在化工产品的生产、加工和综合利用过程中已被广泛应用。膜技术的飞速发展是从1960年不对称反渗透膜的成功开始的。20世纪50年代的离子交换膜和电渗析,60年代的反渗透和超滤,70年代的气体分离,80年代的无机膜、渗透汽化和纳滤等都实用化了。20世纪90年代开始的膜反应器、亲和膜、膜蒸馏、膜萃取、手性膜、膜能转换和智能膜等都在不同发展阶段,其中膜反应器在污水处理方面也已大规模应用。至今,膜法海水和苦咸水淡化,纯水和超纯水制备,各种料液的浓缩、分离、纯化、脱水和脱盐,废水处理再生回用等都已相当成熟,本文仅就膜技术在水处理中的上述应用,进行简要介绍。膜技术作为高新技术在化工领域的生产加工、清洁生产、综合利用、节能降耗和废液治理等方面发挥着独特的作用,随着膜技术的不断进步,其在化工领域中发挥的作用会越来越大。