聚酰胺薄层纳米复合膜的制备及其水中除嗅效能与机制
发布时间：2021-11-10 13:52
聚酰胺薄层复合膜（TFC）在膜法水处理技术领域已经得到了广泛的应用,现已用于海水淡化、水质净化以及污水回用等领域。但在应用过程中,TFC膜仍具有一定的局限性,如何控制膜污染、兼顾渗透性和选择性,是现阶段膜改性技术重要的研究方向和热点。本课题基于此出发,利用间苯二胺（MPD）和均苯三甲酰氯（TMC）界面聚合过程中产生的盐酸原位催化硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）的水解过程,制备含有二氧化硅（SiO2）纳米粒子的聚酰胺薄层纳米复合膜（TFN）。通过扫描电镜和X-射线光电子能谱初步证实聚酰胺薄层上的叶状结构以及膜表面确实含SiO2纳米粒子,且聚酰胺主体与纳米颗粒之间的团聚和相分离是TFN膜形成的关键。但随着APTES添加量的增加,纳米粒子团聚,叶状结构出现粘连。同时,相较于TFC,TFN膜的交联度更低,且C—O/Si—O占比显著提高。联合原子力显微镜、膜流动电位分析仪、接触角测定仪、傅里叶红外光谱手段对膜表面性质进行表征。SiO2纳米粒子可以通过共价键和氢键键合到聚酰胺基质。随着APTES浓度的增加,膜表面整体负...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常用膜分离技术
4-浮物去除以及75%的COD/BOD5去除。范垂普等人研究了利用超滤去除洗毛废水过程中，如何选择恰当的超滤膜截留分子量这一问题，结果表明，当采用聚砜中空纤维膜时，截留分子量30,000最为适宜，对脂的截留率可达95%。1.3聚酰胺复合膜1.3.1聚酰胺复合膜简介反渗透膜的发展过程中，聚酰胺（PA，polyamide）薄膜复合膜（TFC，thin-filmcomposite）的出现是一个很大的突破。该膜由两层组成，顶层是活性聚酰胺层，由二元胺和三酰基氯单体通过界面聚合（IP，interfacialpolymerization）制备，底层是微孔聚砜载体（PSU），如图1-1所示[10]。图1-1聚酰胺复合膜[10]二元胺单体常用的为间苯二胺（MPD）（一般用于RO、FO、NF膜）和哌嗪（PIP）（一般用于制备NF膜），三氯酰单体通常采用均苯三甲酰氯（TMC）。通常来说，使用芳香族MPD和TMC单体形成的TFCRO膜较为疏水，接触角一般为50-60°，而PIP和TMC单体形成的TFCNF膜则较为亲水，接触角通常为30°[11]。另外，TFC膜的表面形态也取决于单体的选龋基于PIP的TFC膜表面较为平滑，其均方根粗糙度通常小于10nm。而基于MPD的TFC膜表面则呈现出典型的“山脊-山谷”形貌，均方根粗糙度通常大于50nm，这一较高的粗糙度主要源于突出的聚酰胺结节。图1-2为典型TFCRO膜表面的扫描电镜（SEM）图像和横断面的透射电镜图（TEM）及相应的X射线光谱图（S和N元素分别为TFC膜中的PSF支撑层和聚酰胺层的代表性元素）。从图中可以看出，聚酰胺结节通常中空，TEM图像表明结节壁厚度约为10-30nm。尽管粗糙的结节形貌增加了膜的结垢倾向，但另一方面这种结构也能增加膜表面积，从而提高膜的透水性[12]。通过复合膜的纯水通量取决于膜表面的亲水性以及多孔支撑层的特性，而盐截留率则依赖于
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-表面电荷以及聚酰胺层结构[13]。图1-2聚酰胺薄层复合膜电镜图[12]1.3.2聚酰胺复合膜的优势及挑战作为应用最为广泛的无孔膜，聚酰胺复合膜具有显著的优势，在重要的膜技术，包括RO、NF、以及FO等领域，均占据绝对的主导地位，与人类的生产和生活息息相关。主要体现在以下几个方面：（1）纯水通量及截盐率提高。对于反渗透一类的致密膜，物质的传质机理主要遵循溶解-扩散机制（solution-diffusionmechanism），原料液中的溶质和溶剂分子首先与膜接触，并吸附溶解，在各自的浓度差作用下以分子扩散的方式通过膜后在膜的另一侧完成解吸。相较于醋酸纤维素材料，聚酰胺材料具有更高的水分子传质系数，更低的离子传质系数。因此，聚酰胺TFC膜通常水通量高，并且选择性也更好[14]。（2）化学稳定性好。TFC膜的聚酰胺层高度交联，没有易水解的官能团，可适用于更广泛的pH范围，连续运行允许的pH为3~10，清洗时允许的pH范围为2~11，大大地降低了运行要求，拓宽了其应用范围[15]。（3）能够分别对膜的活性层和支撑层的性能进行优化调控。聚酰胺TFC膜由活性层和支撑层组合形成，活性层通过界面聚合反应得到，支撑层通过相转化制备，在对膜进行制备和改性过程中，可以分别对膜的活性选择层和支撑层分别进行优化以调控膜的综合性能，可控性强。尽管应用广泛，但聚酰胺复合膜本身也存在一定的缺点，如较差的抗氧化性、耐氯性和抗污染性，制约了其进一步发展和应用。具体表现在以下几个方面：
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国水源水质现状、污染原因及治理措施展望[J]. 付留杰,王猷金,车吉泊,刘勇,王旻昊. 解放军预防医学杂志. 2016(03)
[2]气相色谱-质谱联用法测定生活饮用水中的土臭素和2-甲基异莰醇[J]. 马杰,方赤光,李青,杨大鹏. 中国卫生检验杂志. 2016(01)
[3]耐氯纳滤/反渗透复合膜的研究进展[J]. 李峰辉,孟建强,马六甲. 高分子通报. 2014(10)
[4]2012年新疆巴里坤县农牧区饮用水水质监测结果分析[J]. 库拉西·阿克巴依,娜娥玛·热海,艾尼帕·塔依江. 疾病预防控制通报. 2014(02)
[5]苏州市生活饮用水的水质监测结果[J]. 李海青,蔡烨,张利明,钱晓燕,李刚. 职业与健康. 2014(05)
[6]我国水污染现状[J]. 许嘉宁,陈燕. 广东化工. 2014(03)
[7]原位生成纳米粒子技术在涂布纸涂料中的应用[J]. 潘青山,张平,陈建文,王霞瑜. 湖南造纸. 2006(01)
[8]膜技术在废水处理中的应用[J]. 张永锋,王郁,许振良. 上海环境科学. 2002(02)
[9]大庆油田回注水过滤净化的研究[J]. 梁立军,陈大年,蒋可觐,王守忠. 膜科学与技术. 1998(02)
[10]粗纸废水的处理与回用[J]. 杜明. 环境工程. 1996(01)
博士论文
[1]聚酰胺复合膜功能层抗污染调控机制研究[D]. 刘彩虹.哈尔滨工业大学 2018
[2]土臭素和二甲基异冰片的控制技术及机理研究[D]. 马晓雁.同济大学 2007
本文编号：3487381
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常用膜分离技术
4-浮物去除以及75%的COD/BOD5去除。范垂普等人研究了利用超滤去除洗毛废水过程中，如何选择恰当的超滤膜截留分子量这一问题，结果表明，当采用聚砜中空纤维膜时，截留分子量30,000最为适宜，对脂的截留率可达95%。1.3聚酰胺复合膜1.3.1聚酰胺复合膜简介反渗透膜的发展过程中，聚酰胺（PA，polyamide）薄膜复合膜（TFC，thin-filmcomposite）的出现是一个很大的突破。该膜由两层组成，顶层是活性聚酰胺层，由二元胺和三酰基氯单体通过界面聚合（IP，interfacialpolymerization）制备，底层是微孔聚砜载体（PSU），如图1-1所示[10]。图1-1聚酰胺复合膜[10]二元胺单体常用的为间苯二胺（MPD）（一般用于RO、FO、NF膜）和哌嗪（PIP）（一般用于制备NF膜），三氯酰单体通常采用均苯三甲酰氯（TMC）。通常来说，使用芳香族MPD和TMC单体形成的TFCRO膜较为疏水，接触角一般为50-60°，而PIP和TMC单体形成的TFCNF膜则较为亲水，接触角通常为30°[11]。另外，TFC膜的表面形态也取决于单体的选龋基于PIP的TFC膜表面较为平滑，其均方根粗糙度通常小于10nm。而基于MPD的TFC膜表面则呈现出典型的“山脊-山谷”形貌，均方根粗糙度通常大于50nm，这一较高的粗糙度主要源于突出的聚酰胺结节。图1-2为典型TFCRO膜表面的扫描电镜（SEM）图像和横断面的透射电镜图（TEM）及相应的X射线光谱图（S和N元素分别为TFC膜中的PSF支撑层和聚酰胺层的代表性元素）。从图中可以看出，聚酰胺结节通常中空，TEM图像表明结节壁厚度约为10-30nm。尽管粗糙的结节形貌增加了膜的结垢倾向，但另一方面这种结构也能增加膜表面积，从而提高膜的透水性[12]。通过复合膜的纯水通量取决于膜表面的亲水性以及多孔支撑层的特性，而盐截留率则依赖于
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-表面电荷以及聚酰胺层结构[13]。图1-2聚酰胺薄层复合膜电镜图[12]1.3.2聚酰胺复合膜的优势及挑战作为应用最为广泛的无孔膜，聚酰胺复合膜具有显著的优势，在重要的膜技术，包括RO、NF、以及FO等领域，均占据绝对的主导地位，与人类的生产和生活息息相关。主要体现在以下几个方面：（1）纯水通量及截盐率提高。对于反渗透一类的致密膜，物质的传质机理主要遵循溶解-扩散机制（solution-diffusionmechanism），原料液中的溶质和溶剂分子首先与膜接触，并吸附溶解，在各自的浓度差作用下以分子扩散的方式通过膜后在膜的另一侧完成解吸。相较于醋酸纤维素材料，聚酰胺材料具有更高的水分子传质系数，更低的离子传质系数。因此，聚酰胺TFC膜通常水通量高，并且选择性也更好[14]。（2）化学稳定性好。TFC膜的聚酰胺层高度交联，没有易水解的官能团，可适用于更广泛的pH范围，连续运行允许的pH为3~10，清洗时允许的pH范围为2~11，大大地降低了运行要求，拓宽了其应用范围[15]。（3）能够分别对膜的活性层和支撑层的性能进行优化调控。聚酰胺TFC膜由活性层和支撑层组合形成，活性层通过界面聚合反应得到，支撑层通过相转化制备，在对膜进行制备和改性过程中，可以分别对膜的活性选择层和支撑层分别进行优化以调控膜的综合性能，可控性强。尽管应用广泛，但聚酰胺复合膜本身也存在一定的缺点，如较差的抗氧化性、耐氯性和抗污染性，制约了其进一步发展和应用。具体表现在以下几个方面：
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国水源水质现状、污染原因及治理措施展望[J]. 付留杰,王猷金,车吉泊,刘勇,王旻昊. 解放军预防医学杂志. 2016(03)
[2]气相色谱-质谱联用法测定生活饮用水中的土臭素和2-甲基异莰醇[J]. 马杰,方赤光,李青,杨大鹏. 中国卫生检验杂志. 2016(01)
[3]耐氯纳滤/反渗透复合膜的研究进展[J]. 李峰辉,孟建强,马六甲. 高分子通报. 2014(10)
[4]2012年新疆巴里坤县农牧区饮用水水质监测结果分析[J]. 库拉西·阿克巴依,娜娥玛·热海,艾尼帕·塔依江. 疾病预防控制通报. 2014(02)
[5]苏州市生活饮用水的水质监测结果[J]. 李海青,蔡烨,张利明,钱晓燕,李刚. 职业与健康. 2014(05)
[6]我国水污染现状[J]. 许嘉宁,陈燕. 广东化工. 2014(03)
[7]原位生成纳米粒子技术在涂布纸涂料中的应用[J]. 潘青山,张平,陈建文,王霞瑜. 湖南造纸. 2006(01)
[8]膜技术在废水处理中的应用[J]. 张永锋,王郁,许振良. 上海环境科学. 2002(02)
[9]大庆油田回注水过滤净化的研究[J]. 梁立军,陈大年,蒋可觐,王守忠. 膜科学与技术. 1998(02)
[10]粗纸废水的处理与回用[J]. 杜明. 环境工程. 1996(01)
博士论文
[1]聚酰胺复合膜功能层抗污染调控机制研究[D]. 刘彩虹.哈尔滨工业大学 2018
[2]土臭素和二甲基异冰片的控制技术及机理研究[D]. 马晓雁.同济大学 2007
本文编号：3487381
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