PTFE纳米纤维膜的疏油改性及其性能研究毕业论文
2022-01-05 21:23:44
论文总字数：19045字
摘 要
随着经济的发展和人们生活水平的提高，餐饮行业得到迅速发展，与此同时大量含油烟气的排放对人们的生活环境和健康带来危害。研究表明，油烟气中含有多环芳烃、二羧酸、正构烷烃、固醇、杂环胺等300多种有毒物质，且含油烟气已经与工业废气和机动车尾气并称现代城市大气污染的“三大杀手”。 PTFE纳米纤维膜具有良好的柔韧性以及高的颗粒物截留性能，成为过滤油烟气的最佳材料。基于以上问题，本课题采用静电纺丝的方法制备包裹有SiO2纳米颗粒的PTFE纳米纤维膜，然后通过PFTMS表面接枝法降低其表面能，赋予PTFE纳米纤维膜双疏性能。结果表明其油水接触角分别达到124.2°和170.9°，达到超疏水疏油的效果。并且PTFE纳米纤维膜具有均匀的孔结构和高的气体渗透性。对其进行油烟气截留测试，双疏型PTFE纳米纤维膜的油烟气截留率达到98.75%，过滤后的油烟气浓度低于国家排放标准，表明双疏型PTFE纳米纤维膜在含油烟气净化领域具有很好的应用前景。
关键词：PTFE纳米纤维膜 油烟气净化 静电纺丝 疏油疏水膜
Fabrication of amphiphobic SiO2-PTFE nanofiber membrane and study on the interception performance of oily fume
Abstract
With the development of economy and the improvement of people's living standards, China's catering industry has developed rapidly. At the same time, the emission of a large number of oily fume will also bring harm to people's living environment and health. The oily fume has been called the "three killers" of modern city's air pollution together with industrial exhaust and vehicle exhaust. The results show that there are more than 300 kinds of toxic substances in the oily fume, such as PAHs, dicarboxylic acids, n-alkanes, sterols, heterocyclic amines, etc. Membrane separation can effectively filter toxic substances in oily fume. With good flexibility, high gas permeability and high particle retention rate, PTFE nanofiber membrane has become the best filter material, which is widely used in the field of air purification. Based on the above problems, the PTFE nanofiber membrane coated with SiO2 nanoparticles was prepared by electrospinning, and its surface energy was reduced by dip coating. The results showed that the contact angle of oil and water reached 124.2° and 170.9° respectively, which achieved the effect of superhydrophobic oil drainage, and the nanofiber membrane had uniform pore structure and high gas permeability. The results show that the retention rate of oily fume is 98.75%, which shows that the application of amphiphobic PTFE nanofiber membrane in oily fume field has a good prospect.
Keywords: PTFE nanofiber membrane; Oily fume separation; Electrospinning; Amphiphobic membrane
目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1油烟气的形成与危害 1
1.1.1油烟气的形成 1
1.1.2油烟气的危害 1
1.2油烟气的处理方法 1
1.2.1活性炭吸附法 2
1.2.2静电沉积法 2
1.2.3液体洗涤法 2
1.2.4膜分离法 2
1.3 PTFE膜及制备方法 3
1.3.1 PTFE膜 3
1.3.2 PTFE膜的制备方法(静电纺丝法) 3
1.4 PTFE膜的改性方法 5
1.4.1湿化学法改性 5
1.4.2辐照改性 5
1.4.3表面接枝改性 5
1.5研究目的及研究内容 6
第二章 实验部分 7
2.1实验原料及仪器 7
2.1.1实验原料 7
2.1.2实验仪器 7
2.2实验方法 8
2.2.1配制静电纺丝溶液 8
2.2.2制备PTFE膜和SiO2- PTFE膜 8
2.2.3煅烧PTFE膜和SiO2-PTFE膜 10
2.2.4改性SiO2-PTFE膜 10
2.3表征与分析 11
2.3.1膜的表征 11
2.3.2膜过滤性能测试 11
第三章 结果与讨论 12
3.1扫描电镜（SEM）分析 12
3.2热重分析（TGA） 13
3.3 X射线衍射（XRD） 14
3.4傅立叶变换红外光谱（FT-IR） 14
3.5孔径分布及气通量 15
3.6接触角 17
3.7油烟分离测试 18
第四章 结论与展望 21
4.1 结论 21
4.2 展望 21
参考文献 23
致 谢 25
第一章 绪论
1.1油烟气的形成与危害
1.1.1油烟气的形成
在高温下使用食用油往往伴随着大量“青烟”的产生，“青烟”主要成分是直径范围在10-7－10-3 cm的微油滴[1]。此时往食用油中加入食材，食材里的水分急剧汽化，部分水汽遇到微油滴发生冷凝并和油滴共同作用形成雾状体。水汽、油气、雾状体组成的混合油烟气离开锅灶上升，在大气环境下迅速降温至50 ℃以下并导致油烟气饱和蒸汽压降低，形成油烟气溶胶。食用油及食品在高温下的挥发物及其冷凝物气溶胶、水汽、含细颗粒物气体共同形成了我们常说的烹调油烟[2-3]。
1.1.2油烟气的危害
油烟气的主要化学成分包括多环芳烃[4]，脂肪酸，二羧酸，正构烷烃，固醇，单糖酐，杂环胺等。其中杂环胺是一种致癌物质[5]，中国妇女的吸烟率低，但肺癌发病率高，接触厨房油烟可能是导致该现象的因素之一[6]。蒋等人[7]在台湾地区研究了加热食用油所释放出的油烟，他们报告猪油(200 ℃和300 ℃)和大豆油(300 ℃)排放的挥发性颗粒物在沙门氏菌/微粒体试验中具有致突变性，表明油烟气可能是导致台湾妇女患肺癌的重要因素之一。蒋等人[8]从油烟样品中提取芳香胺，并在上述沙门氏菌/微粒体试验中分析其致突变性，研究结果显示油烟气可能也是导致膀胱癌的一个重要因素。Rogge等[9]研究发现烹饪过程中会散发高浓度的油烟颗粒物，而且可吸入颗粒物所占比例很高，这可能对人体造成严重伤害。这几项研究表明烹调油烟的确会对人们的健康产生影响。
1.2油烟气的处理方法
为了减少含油烟气对人体造成的危害，研究人员致力于探索高效处理油烟气的方法，传统除油烟的方法主要分为物理法和化学法：物理方法主要包括活性炭吸附法、静电沉积法、膜分离法；化学方法包括液体洗涤法、热氧化焚烧法等。
1.2.1活性炭吸附法
活性炭吸附法是在油烟过滤装置中利用活性炭比表面积大，吸附气体性能强的特性，当油烟气通过装满活性炭的隔板时，油烟中的烟尘颗粒或者油滴会被活性炭吸附。活性炭吸附法能有效去除油烟中的油烟颗粒、致癌物等有害气体[10]，达到消除污染和异味的目的，另外活性炭吸附装置的占地面积小，装置结构简单也是该方法的优点。但是油烟颗粒的粘度很高，会积聚形成大的油滴导致孔道堵塞，降低其使用寿命。
1.2.2静电沉积法
静电沉积法是在超高压的电场中，当油烟气通过电场时利用电场力给油滴表面增加负电荷，由于油滴颗粒与其他气体的电性不同，电极板会吸附油烟气中的油滴，这样油滴就从油烟气中分离出来，对于粒径为1－2 μm的油滴颗粒，其分离效率可达98%以上。但是静电沉积设备的体积大，设备内部的结构相对复杂，分离油烟气所产生的费用高。另外经过长时间的使用，油烟颗粒在电极板聚集会降低电极板对油滴的吸引力，对电极板的处理效率产生影响[11]，在处理高浓度的油烟时，该方法净化效率不高。
1.2.3液体洗涤法
液体洗涤法是在油烟净化器里安装喷液装置和收集装置，利用环形喷头将配制的碱性溶液喷成一层液膜，从进风口通入的油烟气与液膜相接触，油滴溶解在碱液中并流入收集装置，碱液中的油滴在净化器底部的储液罐中进行过滤，将油滴从碱液中分离出来，分离后的碱液进入液体循环器循环使用。但是装置需要的喷头较多[12]，装置内部结构复杂，占地面积大。
1.2.4膜分离法
膜分离技术是指使用过滤膜对不同粒径颗粒物或者不同形态的混合物进行有选择性的分离技术[13]。膜分离法处理油烟气时，使空气分子优先通过过滤膜，而油烟颗粒物被截留。与其他治理技术相比，膜分离法具有装置成本低[14]、装置操作简单、过滤效率高、气通量高等优点，因此我们选择膜分离法来处理含油烟气。
1.3 PTFE膜及制备方法
1.3.1 PTFE膜
聚四氟乙烯（PTFE）含有强氟碳键且具有出色的耐化学性、热稳定性和强疏水性，同时因其耐高温和化学性能稳定而具有抵抗“王水”腐蚀的能力，从而获得“塑料之王”的美誉[15]。而且PTFE以纳米纤维膜的形式存在时具有良好的柔韧性和气体渗透性，PTFE纳米纤维膜已经广泛应用于电子信息、工业高性能过滤器、燃料电池、CO2捕获等许多领域[16-18]。
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