基于多孔材料的混合基质正渗透膜的制备及应用

发布时间：2018-04-05 13:47

  本文选题：醋酸纤维素正渗透膜　切入点：金属有机骨架　出处：《济南大学》2017年硕士论文

【摘要】：近年来,由于具有低能耗、低排放等诸多优点,正渗透(Forward Osmosis,FO)膜分离技术已受到人们越来越多的关注。本论文首先制备了一种高性能的醋酸纤维素正渗透膜;其次合成了四种具有多孔结构的金属有机骨架(Metal-organic frameworks,MOFs)材料以及亲水性极强的氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)材料,并利用二者均可进行表面修饰的化学特性,将金属有机骨架材料MIL-101(Cr)植入到氧化石墨烯表面合成了兼具多孔、亲水性能的MIL-101(Cr)/GO复合材料并分别将它们作为膜共混添加剂用以改善膜的性能。本论文首先以醋酸纤维素(Cellulose acetate,CA)为膜材料,聚酯筛网作为膜支撑格层,N,-甲基吡咯烷酮(N,-methylpyrrolidone,NMP)、丙酮为溶剂,聚乙二醇(Polyethylene glycol,PEG)作为致孔添加剂制备了高性能醋酸纤维素正渗透膜。在实验过程中,系统研究了各个工艺参数对膜性能的影响,得到了最佳的制膜工艺参数,并对所制备的膜的性能及结构进行了表征。最佳的制膜参数:CA含量12wt%,致孔添加剂为PEG-400,致孔剂投加量为3wt%,共混温度为45℃,凝固浴温度为25℃。在最佳制膜条件下,正渗透膜的水通量为50.9L/m2·h,反向盐通量为3.6g/m2·h,从扫描电镜(SEM)可以观察到,正渗透膜具有典型的非对称结构,支撑层的指状孔结构发达。在上述实验的基础上,制备了醋酸纤维素/金属有机骨架共混正渗透膜。采用水(溶剂)热法(或机械搅拌法)分别合成了ZIF-8、MIL-53(Fe)、MIL-100(Fe)、MIL-101(Cr)四种MOFs材料,并利用红外(FTIR)、X-射线粉末衍射(XRD)、SEM对MOFs进行了表征,结果表明实验成功制备出了四种MOFs。将四种MOFs材料分别作为改性添加剂,系统研究了膜制备过程中各个因素对膜性能的影响,得到了最佳的制膜工艺参数,并对所制备的膜的性能及结构进行了表征。最佳的制膜参数:MOFs种类为MIL-101(Cr),MIL-101(Cr)的添加含量为0.2wt%,共混温度为60℃,热处理温度为60℃。在最佳制膜条件下,共混正渗透膜的水通量为63.7L/m2·h,反向盐通量为2.2g/m2·h,从扫描电镜可以观察到,膜表面有明显的纳米颗粒沉积物,与未改性前相比支撑层膜孔明显变得更加致密,且数量更多。在高性能醋酸纤维素正渗透膜的基础上,制备了醋酸纤维素/氧化石墨烯共混正渗透膜。采用改进的Hummers法制备了GO,并分别利用FTIR、XRD、SEM对其进行了表征,结果表明实验成功制备出了GO材料。将GO材料作为改性添加剂,系统研究了膜制备过程中各个因素对膜性能的影响,得到了最佳的制膜工艺参数,并对所制备的膜的性能及结构进行了表征。最佳的制膜参数:GO的添加含量为0.5wt%,共混温度为50℃,热处理温度为70℃。在最佳制膜条件下,共混正渗透膜的水通量为65.2L/m2·h,反向盐通量为1.5g/m2·h,从扫描电镜可以观察到,掺杂了GO后膜的表面粗糙程度、表面缝隙度较未改性膜均明显提高,膜孔内部孔道有纳米GO粒子附着,GO的表面褶皱也一定程度上增大了正渗透膜的过水面积,提高了膜的渗透性能。本论文还制备了醋酸纤维素/复合材料正渗透膜。采用水热法合成了MIL-101(Cr)/GO复合材料,并分别利用FTIR、XRD、SEM对其进行了表征,结果表明实验成功制备出了复合材料。将复合材料作为改性添加剂,系统研究了膜制备过程中各个因素对膜性能的影响,得到了最佳的制膜工艺参数,并对所制备的膜的性能及结构进行了表征。最佳的制膜参数:MIL-101(Cr)/GO的添加含量为0.3wt%,共混温度为50℃,热处理温度为60℃。在最佳制膜条件下,正渗透膜的水通量为74.5L/m2·h,反向盐通量为1.2g/m2·h,从扫描电镜可以观察到,掺杂了复合材料的正渗透膜的表面以及支撑层内部均有纳米颗粒附着;与未改性前相比膜表面粗糙度显著提高,支撑层膜孔数量更多且排列更加致密。最后,本论文对自制的四种醋酸纤维素正渗透膜以及HTI-CTA商品膜进行了海水淡化应用研究。实验以海水作为原料液(Feed solution,FS),2mol/L的葡萄糖溶液作为驱动液(Draw solution,DS),通过正渗透装置测试了不同种类的正渗透膜水通量以及截盐率的变化情况。就水通量而言,四种自制的正渗透膜要明显高于HTI商品膜,然而在稳定性方面,自制膜与HTI膜存在一定差距;通过对自制膜水通量的对比,发现共混膜的渗透性能要优于未改性膜,且MIL-101/GO膜的性能要好于另外两种共混膜。在截盐率方面,自制膜与HTI膜存在一定差距,在测试过程中HTI膜能够始终保持在99.9%左右,而自制膜则需要一定的时间才能达到稳定状态,且在数值上明显低于HTI膜;通过对自制膜的对比发现,共混膜的截盐率明显优于未改性膜,且MIL-101/GO膜的性能要好于另外两种共混膜。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ051.893

【参考文献】

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本文编号：1715024