编织管增强型醋酸纤维素中空纤维膜研究

发布时间：2019-01-07 08:55

【摘要】：醋酸纤维素(CA)是重要的天然纤维素衍生物,因其成膜性好、价格低廉,在分离膜领域占有重要地位。为提高CA中空纤维膜的力学强度,扩展CA中空纤维膜的应用范围,本文基于非溶剂致相分离(NIPS)成膜原理,采用同心圆复合纺丝技术,制备了编织管增强型(BR)CA中空纤维膜,对其结构与性能进行了研究。以CA纤维编织管为增强体,以CA的N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)溶液为铸膜液构筑表面分离层,制得同质增强型(HR)CA中空纤维膜。研究表明,随铸膜液中CA浓度增加,膜的表面分离层更为致密,其外表面更为平滑,膜的平均孔径减小,牛血清蛋白(BSA)截留率增高,且膜的拉伸断裂强度(11MPa)和爆破强度有所增大；当铸膜液中CA浓度高于10%时,所得膜的表面分离层与增强体之间界面结合状态较好。活性污泥悬浮液对比过滤试验发现,HR CA膜较增强型聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜具有更小的通量衰减率,且简单物理清洗后的通量回复率更高,表明CA膜耐污染性能优于PVDF膜；膜的出水总有机碳(TOC)浓度低于20mmg·L-1,去除率接近90%。以CA和聚丙烯腈(PAN)混合纤维编织管为增强体,制得编织管增强型CA中空纤维膜。混合纤维编织管的使用实现了同质纤维增强与异质纤维增强的结合,膜中同时存在同质增强界面和异质增强界面,不但可有效调控膜的界面结合状态,而且可抑制CA纤维过度溶胀对膜通透性的不利影响。兼顾界面结合状态和通透性能,增强体中最佳CA/PAN纤维比为2/1。膜的拉伸断裂强度主要取决于增强体,随编织管中PAN纤维比例增加,膜的拉伸断裂强度由16.0MPa增大到62.9MPa。改变铸膜液所用溶剂种类研究发现,以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂所得膜的纯水通量较大,而以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂所得膜的纯水通量较小；以DMAc、DMF、N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂,膜的蛋白质溶液通量较大且接近；所得膜的纯水通量回复率较高,均达90%左右,表现出较好的耐污染性能。根据拔出强度测试结果,以DMAc、DMF、DMSO和NMP为溶剂铸膜液所得膜的界面结合强度依次降低。随铸膜液中CA浓度增加,膜的纯水通量减小,蛋白质溶液通量衰减率降低,同时表面分离层与增强体之间界面结合强度增大。随凝固浴温度增加,膜的纯水通量增大,而蛋白质溶液通量衰减增大,表面分离层与增强体之间界面结合状态变差。通过在表面分离层中混杂纳米材料,制得编织管增强型CA/纳米材料杂化中空纤维膜。纳米银的引入对膜的力学性能和通透性能影响不大。将纳米银杂化中空纤维膜浸于膜生物反应器(MBR)活性污泥反应池中,通过监测膜的BSA截留率随浸泡时间变化,发现纳米银可改善膜的耐生物降解性。在表面分离层中混杂碳纳米材料,即碳纳米管(CNT)、氧化石墨烯(GO)及两者的混合物,所得膜的表面分离层中指状孔增多、变长,表面皮层变薄,对膜的拉伸性能基本无影响,但拔出强度和爆破强度有所增大。碳纳米材料的引入对膜的纯水通量和蛋白质溶液通量影响不大,但BSA截留率有所增高。将碳纳米材料杂化中空纤维膜用于乳清溶液的连续浓缩,分离乳清蛋白和乳糖,BR CA/碳纳米材料杂化膜,尤其是CA/CNT/GO膜,表现出良好的通透性能和耐污染性能；由于CNT与GO之间存在协同效应,CA/CNT/GO膜浓缩效率较高,通量回复率超过90%。通过调整铸膜液组成、控制成膜条件,制得编织管增强型CA中空纤维纳滤(NF)膜。分析表明,所得膜中表面分离层与增强体之间界面结合状态较好,表面分离层呈致密的海绵状结构：膜的拉伸曲线存在两个屈服点,拉伸断裂强度接近编织管断裂强度。随铸膜液中CA浓度增加,膜的透水率降低,截留分子量(MWCO)减小,脱盐率增大。当铸膜液中CA浓度为17%、18%、19%时,所得膜的截留分子量分别为1430、1080、960,对Na2SO4截留率分别达75.8%、94.0%、95.1%。染料分离试验,随时间增加,膜的渗透通量和染料去除率保持稳定；渗透通量约为7 L·m-3·h-1,刚果红去除率大于99%,酸性湖蓝A去除率大于93%。乳清分离试验,当进料液浓度为10 g·L-1时,乳清蛋白截留率接近90%;当进料液浓度为50 g·L-1时,乳清蛋白截留率超过80%,膜的渗透通量随时间增加略有衰减。
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【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.893

【参考文献】