通過相轉化膜蒸餾應用開發新型PVDF膜

薄膜蒸餾(Membrane distillation , MD)是一種涉及流體(尤其是水)係藉由一疏水性微孔高分子薄膜將高溫待處理溶液與低溫產水溶液隔開，以薄膜兩側的溫度梯度造成的蒸氣壓差為驅動力，使水蒸氣分子經由高溫溶液側的薄膜孔洞傳輸至低溫溶液側並凝結成液體的技術。阻礙該工藝全面商業化的主要障礙包括MD膜和模塊設計、膜孔潤濕、低滲透流速、通量隨時間衰減以及不確定的能源和經濟成本。這些挑戰吸引了科學家和工程師追求最佳的膜性能、模塊和工藝設計，其中膜材料的選擇是最重要的。MD膜的一個關鍵影響是影響形態和孔隙率的製造程序，從而決定了製造膜的性能效率。

聚偏二氟乙烯(PVDF)仍然是MD膜材料的首選選項，因為PVDF易於溶解在常見的有機溶劑中。因此，可以通過相轉化法生產多孔PVDF膜。PVDF是一種半結晶含氟聚合物熱塑性塑料，通過聚合偏二氟乙烯單元獲得。對於包含半結晶聚合物(如PVDF)的系統，決定相分離類型的主要因素是系統的混溶性，這與聚合物-稀釋劑相互作用的強度有關。PVDF多孔膜可以很容易地通過相分離（即相轉化）工藝生產，只需將流延溶液膜浸入凝固浴（即非溶劑，通常是水）中。在這種情況下，添加劑可用於賦予孔隙、親水性、疏水性、機械強度、防污性能和表面改性。成孔劑雖然在化學性質上不同，但在賦予多孔性或增強孔之間的互連性的功能作用上是一致的。成孔劑確實賦予多功能效果，這在最終性能上可能是協同的或有害的。成孔劑可以增加溶液粘度或加速相轉化過程，以改善膜形態，並提高膜分離和性能。

在我們的研發團隊中，我們目前正在研究新型添加劑和工藝參數在成孔中的作用，以及它們對形態、疏水性、液體進入壓力(LEP)和孔徑分佈(PSD)等關鍵膜參數的影響。與許多其他參數，如機械強度和結晶度。該研究的最終目標是確定合適的膜並將其用於實際應用，以適應膜蒸餾的複雜要求。

各種複雜的分析工具，如光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)用於展開製造的平板和中空纖維膜的結構構成。使用毛細管流動孔隙率測定法(CFP)研究孔隙特徵，並使用接觸角測量評估表面與水的相互作用。

抗結垢膜應用於薄膜生物反應器

薄膜生物反應器(MBR)是懸浮生長生物反應器與膜工藝（例如超濾或微濾）的組合。現在廣泛用於城市和工業廢水的處理。即使僅僅在十年前，薄膜生物反應器仍然是一項新興技術，並且在市政污水處理行業中相對新穎。MBR工藝與生活廢水一起使用時，可以將原本排放到沿海、地表或鹹水道的高質量廢水，處理或回收用作於城市灌溉。此外，與傳統工藝相比，MBR 還具有許多其他優勢，包括佔地面積小、舊污水處理廠易於升級。作為MBR技術核心的薄膜很容易被生長在其表面上的微生物和藻類堵塞，這一過程被稱為生物污染。造成任何東西都無法通過薄膜的孔隙，發生廢水過濾器無法作用，因此必須停止運轉，以便清潔或更換薄膜。這個過程造成生產力的損失、增加化學品使用量，甚至更新薄膜而提高使用成本，降低了MBR的成本效益。「抑制生物結垢」的薄膜可以使MBR成為一種更具吸引力的水處理選擇。這就是我們的新型薄膜的優勢。

我們創造了一種抗生物結垢的薄膜，還可以改善水的通流量。這是透過改進薄膜結構、孔隙率和表面化學來實現的。開發的薄膜在投入測試之前已經過充分的表徵驗證這包括接觸角、掃描電子顯微鏡、孔隙率和孔徑分佈。增加通量並降低生物沾黏膜表面。

PVDF 膜採用 VIPS 和 NIPS 蒸餾途徑製成

相轉化是用於薄膜蒸餾應用的流行膜製造技術之一。最近的一項研究表明，三元相圖中的溶液組成途徑對所得膜的疏水性的重要性。該途徑高度依賴於膜製造路線，一方面是完全的非溶劑誘導相分離(NIPS)，另一方面是氣相誘導相分離(VIPS)。這兩個極端導致兩種不同的膜具有不同的表面和原位特性。NIPS膜的特點是低接觸角和小孔徑，而VIPS膜的特點是高接觸角和大孔徑。

我們研究的目的是通過結合NIPS和VIPS膜製造技術來調整膜的特性，以實現具有低泡點直徑和窄孔徑分佈的超疏水膜。在本研究中，選擇的聚合物是聚偏二氟乙烯(PVDF)，溶劑是二甲基乙酰胺(DMAC)。水被用作NIPS的強非溶劑。我們研究了鑄件厚度以及 NIPS和VIPS中其他變量的作用，以獲得所需的膜性能。VIPS工藝是在濕度控制室中進行的。 該研究的一個重要部分是膜表徵。對所有膜拍攝表面掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像以揭示其表面形態和結構。平均流量孔徑、最大孔徑和孔徑分佈使用毛細管流動孔隙計測量。使用接觸角測角儀測量去離子水的接觸角。

研究的初步結果表明，超疏水膜可以通過VIPS工藝獲得，接觸角在140-145º 範圍內。然而，這些膜的最大孔徑和孔徑分佈仍然相對較高，約為10-20 um，這使得它們無法用於膜蒸餾(MD)應用。目前，團隊正在優化製造工藝，以最大程度地減小孔徑，最終實現用於MD應用的高通量和低潤濕性膜。