基于碱式扩散渗析杂化膜的制备与性能研究

发布时间：2018-04-29 03:34

  本文选题：扩散渗析 + 碱回收　； 参考：《中国科学技术大学》2016年博士论文

【摘要】：聚合物／无机纳米材料杂化膜因其兼具有机和无机材料的优异性能,成为近年来膜制备研究与应用领域的热点问题之一,扩散渗析用杂化膜也不例外。扩散渗析是一种以浓差为推动力的低能耗膜分离技术,在膜法水处理,尤其是面向碱性废水处理方面有重要的潜在应用价值。然而由于缺乏合适的碱式扩散渗析用膜,碱回收扩散渗析工艺的发展受到严重制约。因此,本文以制备具有高的OH-离子通量和选择性、低的溶胀度、高的碱稳定性、高的机械稳定和热稳定性的碱式扩散渗析用杂化膜为研究内容。结合聚合物/无机纳米材料杂化膜的特点,以有机高分子聚合物磺化聚苯醚(SPPO)为有机相、纳米氧化硅为无机相,通过溶液共混的方法,制备了一系列碱式扩散渗析用聚合物/无机纳米材料杂化膜。在此基础上,对制备的膜进行了结构和性能的表征,模拟了其碱回收性能,探讨了杂化膜结构与膜的扩散渗析分离性能之间的关系,根据研究内容和实验结果总结出如下结论：(1)利用SPPO和纳米氧化硅颗粒,通过溶液共混的方法制备了一系列SPPO/nano silica杂化阳离子交换膜并进行SEM, TGA及机械性能等表征。随着纳米氧化硅含量的增加,膜的水含量(WR)范围为71-74%,离子交换容量(IEC)范围1.48-1.69 mmol/g,且具有良好的热稳定性和机械稳定性。65℃ 2M NaOH浸泡条件下,膜的溶胀度为73%-78%。利用NaOH/Na2WO4混合体系模拟工业碱性废水,测试了在不同温度下膜的碱回收性能。实验结果表明,当纳米氧化硅的添加量为8%时,杂化膜在55℃下的Uo8达到0.014 m/h,同时选择性系数保持在34.5,在选择性与商业SPPO膜(0.00136m/h,36)相当的条件下通量增加了10倍。通过对杂化膜微观结构的表征,建立了杂化膜结构与性能之间的关系：纳米氧化硅表面的-OH通过氢键作用构筑了OH-传递的辅助通道,促进了OH"的传递。(2)首先利用丙磺酸内酯对纳米氧化硅颗粒进行了磺化,然后将SPPO和磺化纳米氧化硅(SNS)通过溶液共混的方式制备了一系列SPPO/SNS杂化阳离子膜并进行了SEM, TEM, TGA以及机械性能的测试。结果显示制备的膜离子交换容量在1.87-2.00 mmol/g之间,且具有良好的热稳定性和机械稳定性。利用NaOH/Na2WO4混合体系模拟的碱回收性能测试结果显示,杂化膜在较高温度下(大于35℃)显示出优异的分离效果：当SNS添加量为4%时,55℃下膜的UoH为0.014 m/h,同时选择性系数为34,均比纯的SPPO要好。对于膜的微观结构与性能之间关系的分析结果表明：SNS表面的-S03H与SPPO主链上的-SO3Na一起构筑了促进Na+传递的辅助通道,也就促进了OH-的扩散。(3)首先利用γ-氨丙基三乙氧基硅烷对纳米氧化硅进行表面修饰,制备了表面氨基化的纳米氧化硅(AFNS),并将其与氢型SPPO (H-SPPO)通过溶液共混的方式制备了一系列H-SPPO/AFNS杂化膜。膜的含水量为41%-48%,理论离子交换容量为2.13-2.32 mmol/g, SEM, TEM,耐碱性,热稳定性及机械稳定性的测试结果表明膜具有良好的稳定性,且AFNS与H-SPPO之间的相容性良好。利用NaOH/Na2WO4混合体系模拟的碱回收性能测试结果显示,杂化膜在室温F(25℃)显示出优异的分离效果：当AFNS添加量为8%时,UoH为0.0086 m/h,同时选择性系数为50.3,均高于商业化的SPPO膜。对于膜的微观结构和传质机理的分析结果表明：AFNS表面的-NH2与H-SPPO的-S03H之间由于酸碱相互作用形成酸碱对,通过与OH-之间的氢键作用促进了其传递;AFNS的存在诱导了-SO3H基团的有序排列,形成了纳米尺度的团簇结构,增加了有效传质面积,促进了离子的传递。(4)首先通过溶胶-凝胶法合成了球形介孔氧化硅(SMS),通过溶液共混法将其与PVA溶液混合并利用戊二醛进行交联,通过控制SMS的添加量分别为PVA质量的0,2%,4%,6%,8%,制备出一系列PVA/SMS杂化非离子膜。对膜基本性能的测试结果显示膜的含水量在70.1%-105.7%之间,膜的耐碱性、热稳定性、机械稳定性以及微观形貌的表征结果显示了膜具有良好的稳定性。利用NaOH/Na2WO4体系的扩散渗析实验模拟了膜在室温下的碱回收性能,结果显示当SMS添加量为6%时,杂化膜的UoH达到0.0105,S达到36.4;与纯PVA膜相比,UoH提高了28%,S提高了35.8%。说明SMS的引入能同时提高膜的离子通量和选择性,对解决二者之间的"trade-off'效应有潜在的应用价值。
[Abstract]:A series of hybrid membranes with high OH - ion flux and selectivity , low swelling degree , high alkali stability , high mechanical stability and thermal stability were prepared . The results show that the membrane has excellent separation effect at room temperature F ( 25 鈩，

本文编号：1818229