新型油水分离膜表面性能实验研究【毕业论文】.doc

1、毕业论文 文客久久 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 新型油水分离膜表面性能实验研究 学 院： 学生姓名： 专 业： 油气储运工程 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 文客久久 目录 摘要 . 错误 !未定义书签。 Abstract . 错误 !未定义书签。 1 前言 .1 1.1 超滤膜的污染及亲水化改性 .1 1.1.1 超滤膜的污染与表面性质的关系 .1 1.1.2 超滤膜的亲水化改 性 .1 1.2 表界面（接触角） .1 1.2.1 表界面的定义 .1 1.2.2 表界面的特点 .2 1.3 液体表面张力（接触角） 的测定方法 .2 1.3.1 毛细管法 .2 1.3

2、.2 最大气泡压力法 .4 1.3.3 滴重法 .4 1.3.4 吊环法 .6 1.3.5 吊板法 .7 1.4 OCA15 光学测量仪测量接触角的方法 .8 1.4.1 座滴法 .8 1.4.2 悬滴法 .8 1.4.3 薄片法 .10 1.6 课题的研究内容和目的 .10 2 实验部分 .10 2.1 新型油水分离膜的制备简介 .10 2.3 实验装置及试剂 .12 2.4 OCA15 的使用方法及准备 .13 2.4.1 计算机的设置 .13 2.4.2 使用方法 .13 2.4.3 实验前准备 .14 2.5 实验步骤 .15 2.6 方案一的油污截留率测试步骤 .17 3 实验结果及

3、分析 .17 3.1 超滤膜的制备 .17 3.2 接触角的实验结果及初步分析 .18 3.3 影响接触角因素的分析 .22 3.4 油污截留率测试结 果 .23 结论 .25 参考文献 .26 毕业论文 I 新型油水分离膜表面性能的研究 摘要 本文通过运用 OCA15PRO 视频测量仪测量对不同配方的三个方案进行了新型油水分离膜表面张力（接触角）的测定，得出以下结论：运用相转换法制备超滤膜，得知不同的制备条件所具有的膜表面性能大不相 同。通过实验得知超滤膜的接触角最小值为 37，最大值为 101.5，由此可见在不同的膜制备条件下接触角大小相差甚大，就本文而言较好的膜制备方案为：聚偏氟乙烯 1

4、6.2%、添加纳米颗粒 TiO21.62%、 Al2O30.8%、 N-N 二甲基乙酰胺 81%及烷基酚聚氧乙烯醚 0.4%，在 25凝固浴温度下凝固。通过对 12 种膜进行实验与讨论，可知不同方案超滤膜除油截留率的能力也非常不同，最大的截留率有 88.75%，最小的截留率仅有 8.66%，因此最优的除油配方为：聚偏氟乙烯 16.2%和 N-N 二甲基乙酰胺 81%， 烷基酚聚氧乙烯醚 0.4%，添加纳米颗粒 Al2O30.8%， SiO20.8%， TiO20.8%。 关键词 超滤膜；接触角；表面性能；添加剂；截留率 毕业论文 II New membrane surface properti

5、es of oil-water Abstract This article through the use of OCA15PRO video measuring instrument for measuring the different formulations of the three schemes are new-style oil-water separation membrane surface tension ( contact angle determination ), draw the following conclusions: applying the phase c

6、onversion preparation of ultrafiltration membrane, learn about different preparation conditions of membrane surface properties vary greatly. The results indicated that membrane contact angle of the minimum value is 37 degrees, the maximum is 101.5 degrees, thus in different membrane preparation cond

7、ition contact angle size differs very big, the present paper better membrane preparation scheme: poly vinylidene fluoride16.2%, TiO21.62%, Al2O30.8%, N-N,81% and alkyl phenol dimethyl amine polyoxyethylene ether at25 degrees0.4%, coagulation bath temperature solidification. Through the 12membrane ex

8、periment and discussion, the different schemes of ultrafiltration membrane removing oil retention ability is also very different, the maximum rate is 88.75%, the minimum retention rate is only 8.66%, so the best oil formula: poly vinylidene fluoride16.2% and N-N dimethylacetamide81%, alkyl phenol po

9、lyoxyethylene ether0.4%, Al2O30.8%, SiO20.8%, TiO20.8%. key words Membrane;Contact angle;Surface properties;Additive;Retention rate 毕业论文 1 1 前 言 1.1 超滤膜的污染及亲水化改性 1.1.1 超滤膜的污染与表面性质的关系 超滤膜的污染自膜投入使用那一刻起就存在，它是被分离物质中某些成分吸附、留存在膜的表面和膜孔中造成的，在超滤膜过程中，由于浓极差化的产生，尤其是在低流速、高溶质浓度情况下，在超滤膜表面达到或超过溶质的饱和度时，便有凝胶层的形成，导致膜的

10、透液通量不依赖于超滤压力。膜性质主要包括膜材料的化学组成，膜表面性质、膜的形态结构等方面。膜面光滑不易被污染，孔径分布窄也不易被污染。当膜分离体系为水相体系时，亲水性的膜表面与水将形成氢键，使之处于 有序结构，当疏水溶质试图接近膜表面时，必须打破这种有序结构，显然不易进行，所以这种膜面不易被污染；而疏水膜表面上的水无氢键作用，疏水溶质接近膜表面是一个熵增大的自发过程，因此膜易被污染。 1.1.2 超滤膜的亲水化改性 PVDF 超滤膜的基本改性方法主要有膜基体的改性和膜表面的改性两种。 膜基体改性方法主要分为共混改性和共聚改性两类 1。 共混改性是 PVDF 超滤膜亲水化改性技术中的常用方法，与

11、 PVDF 共混的物质分为无机物和有机物两类，近年来，用无机纳米粒子与 PVDF 共混制备杂化膜的研究很多，大多数研究表明共 混膜的亲水性和抗污染能力及机械性能得到有效提高。 共聚改性是通过共聚反应在 PVDF 链上接入某个亲水性的基团或侧链，得到具有一定亲水性的共聚物，以提高 PVDF 膜的亲水性。 膜表面改性与基体改性不同，膜表面改性是在膜制备完成后通过表面化学处理、辐照接枝、低温等离子体改性等方法来提高膜的亲水性和抗污染能力，而不改变膜本体的结构和性质。其中低温等离子体和辐照接枝改性是目前膜表面改性的热点问题。 PVDF 超滤膜的低温等离子体改性是先用低温等离子体照射膜来产生活性自由基，

12、再将亲水性物质接枝到膜表面以达到改性的目的。 膜 表面辐照接枝聚合反应是指通过电子束、离子束、紫外光等高能辐射使膜表面的聚合物分子链产生活性自由基，再与聚合物单体或功能性高分子进行接枝反应，使膜表面具有更好的亲水性和抗污染性。 1.2 表界面（接触角） 1.2.1 表界面的定义 根据物质聚集的不同，表界面可分为以下五类：固 气、液 气、固 液、液 液、固 固。习惯上，把固 气、液 气的过渡区域称为表面，而把固 液、液 液、固 固的过度区域称为界面。气体与气体之间不存在界面 2。 实际上两相之间并不存在截然的分界面，相与相之间是一个逐步过渡的区域 2。如 图 1 1 所示，在 A， B 两相形成

13、界面的过程中，由于优先吸附作用，界面区形成一个吸附层， A相临近界面的表面层与 A 相本体有不同的结构， B 相临近界面的表面层也与 B 相本体有不同的结构，界面区域的化学组分、分子排列、结构等呈现连续的梯度性变化。 毕业论文 2 图 1-1 复合材料界面模型 Figure 1-1 Composite interface model 1.2.2 表界面的特点 若 90，则固体是憎液的，即液体不润湿固体，容易在表面上移动，不能进入毛细孔。 润湿 过程与体系的 界面张力 有关。一滴液体落在水平固体表面上，当达到平衡时，形成的接触角与各界面张力之间符合下面的杨氏公式（ Young Equation）

14、由它可以预测如下几种润湿情况 2： 1 当 =0，完全润湿； 2 当 90，部分润湿或润湿； 3 当 =90，是润湿与否的 分界线 ； 4 当 90，不润湿； 5 当 =180，完全不润湿。 毛细现象 中液体上升、下降高度 h。 h 的正负表示上升或下降。浸润液体上升，接触角为锐角；不浸润液体下降，接触角为钝角。 液体半径）重力加速度（液体密度表面张力系数上升高度 /2h 毛细管半径）重力加速度（液体密度接触角表面张力系数上升高度 /c o s2h 1.3 液体表面张力（接触角）的测定方法 1.3.1 毛细管法 如图 1-2 所示，当毛细管浸在液体中时，若液体能浸润管壁，则会发生毛细上升现象，

15、液面呈凹月形。反之。若液体不能浸润管壁，则液面下降呈凸液面。 毛细升高现象可用 Laplace 方程处理 3。假定毛细管截面的圆周形，且管径不太大，若液体能完全浸润管壁，并假定凹月面可近似看做半球形， 此时不仅两个曲率半径相等，而且都等于毛细管半径 r。由 Laplace 公式可得： r/2p （ 1-1） 毕业论文 3 若定义 h 为凹月面底部距并液面的高度，则压差应等于毛细管内液柱的静压强gh，即： r/2gh （ 1-2） 式中，为液 气两相密度差； g 为重力加速度。式（ 1-2）也可改写成： rhg/2a 2 （ 1-3） 式中， a 称为毛细常数，它是液体的一个特性常数。 当液体完

16、全不浸润管壁时，式（ 1-3）仍适用，毛细上升改为毛细下降， h 表示下降深度。 更普遍的情况是液体与管壁不是完全浸润，液 固之间的接触角介于 0 180之间，若弯月面仍为球面，则有： r/co s2gh (1-4） 实验测得毛细升高（或下降）高度 h，因毛细管半径 r 和液面密度已知，由式（ 1-2）或式（ 1-4）可以求出液体的表面张力。 仔细分析上面的推导过程，可发现如下的问题：对凹月面作了球面的近似处理，实事上凹月面不可能是一个绝对的球面，也即凹月面上每一点的曲率半径都不一定相等，所以要作弯月面非球面的修正；只有在凹月面的最低点毛细上升高度才是 h，在其他各点上，毛细上升高度都大于 h

17、。若令 y 表示凹月面上某点离开液面的距离，则有 gyp ，只有在凹月面最低点上才有 gyp ，因此要作液体质量的修正。 对毛细上升现象作精细处理，必须考虑对以上两个偏差作修正。修正方法之一是Rayleight 提出的级数近似法。对接近球形的弯月面，在 h 的情况下，可得到如下的级数展开式： . . . )/h0 . 1 3 1 2 r/h1 2 8.03/(a 2322 rrhr （ 1-5） 式中，第一项是基本的 Laplace 方程；第二项是考虑弯月面液体质量的修正；其余各项是对偏离球形的修正。 图 1-2 毛细管上升和下降现象 Figure 1-2 Capillary rise and

18、 fall in 毕业论文 4 1.3.2 最大气泡压力法 本法是将一根毛细管插入待测液体中，缓缓通入惰性气体，使在管端形成气泡溢出，如图 1-3 所示 4。当毛细管很细时，可假设气泡在生成过程中始终是球体的一部分。但气泡在发展过程中半径由大变小，当气泡形成恰为半球时，气泡的半径最小，正好等于毛细管半径，也应达到最大值。实验过程中用连接在毛细管上的 U 形 压力计测出最大气泡压力，则： r/2p m a x gh （ 1-6） 若测试中，毛细管下端在液面下的深度为 t，该处的压力为 Pt，则： pt-p m ax gh （ 1-7） 必须指出，这种处理仅局限于毛细管很细的情况，精度可达几千分之

19、几。当毛细管较粗时，则计算误差较大，应加以修正。 图 1-3 最大气泡压力法 Figure 1-3 The maximum bubble pressure method 1.3.3 滴重法 这是一种既精确又方便的方法。它既可测定气 液表面张力，又可测定液 液界面张力5。如图 1-4 所示，在恒温条件下，使管端缓慢形成的液滴滴入杯中，收集适量的液体后称其质量，由此精确地测得每滴液重。早在 1864 年， Tate 就提出液滴所受重力 mg 与表面张力的关系为： r2mg （ 1-8） 式中， r 是毛细管半径，液体能润湿管端平面时为外径，不能润湿为内径。 仔细观察液滴形成全过程就会发现，由于形成

20、的细长液柱在力学上不稳定，一部分半径缩小，另一部分半径扩大，最后形成液滴落下，因此真正落入容器的只是一部分液体。一般认为，多至 40%质量分数的液滴仍与滴尖相连，当与下落部分分离后，又缩了回去，成为下一个液滴的一部分，如图 1-5 所示 毕业论文 5 因此测得液滴的实际质量要比计算值小得多。为此， Harkins 引入修正系数 f： f2mg r （ 1-9） 并且得出， f 是液滴体积 V 的函数， f 随 3/r v 变化。 )/(f 3 vr （ 1-10） Wilkenson 等用实验数据拟合得到下面的经验方程： 233 )/r4 2 9 3.0)/(7 2 4 9.0-9 0 4 5

21、.0f vvr （ （ 1-11） 上式适用于 0.3( 3/r v )1.2 的区间。吴树森与王飞虹则提出下面的经验方程： 233 )/r8 2 9.1)/(4 7 8 9.1-0 0 7.1f vvr （ （ 1-12） 上式适用于 0.058( 3/r v )0.3 的区间。 因此。用滴重法测出液滴质量 后，求出 3/r v ，通过式（ 1-11）、式（ 1-12）求出修正因子 f，代入式（ 1-9）即可得到表面张力。 图 1-4 滴重法 Figure 1-4 Drop weight method 毕业论文 6 图 1-5 液滴落下过程的示意图 Figure 1-5 droplets f

22、all schematic of the process 1.3.4 吊环法 吊环法是脱离法的一种 4，如图 1-6 所示 将一环放在液面上，然后测定将环向上拉起时所需 的力 P。根据表面张力的基本概念可知，将圆环从液面上分离所需的最大拉力应等于该环的质量加上表面张力与被分离表面周长的乘积。设环的内径为 R，环由半径为 r 的铂丝制成，则： )2(22p rRRw 环 （ 1-13） 式中， W 环为铂环质量；后面两项为液膜对圆环内外表面施加的作用力。令 环WPF ，rRR ，则可得： RR 4)r4F （ （ 1-14） 图 1-7 是吊环法的校正因子图，该图是在有一定的 r/R 下以 f 对 VR/3 作出的一系列曲线。由 VR/3 值和 r/R 曲线的交点可查出校正因子 f。 RF 4/f （ 1-15） 图 1-6 吊环法 Figure 1-6 Rings France