高通量耐污染纳滤膜的制备及其在抗生素分离中的应用研究

发布时间：2019-05-25 00:48

【摘要】：分离在现代工业,尤其是化工领域占有举足轻重的地位。近年来由于低能耗、低排放、自动化程度高、占地面积小等优势,膜分离技术逐渐取代传统的萃取、精馏等分离技术,备受关注。由于具有独特的孔径结构与荷电性能,纳滤膜一般被认为是依靠压力驱动,无相变、可实现分子级别的膜分离过程,在活性小分子有机物质,诸如抗生素、药物分子、催化剂等的分离应用中具有非常广阔的前景。目前,商用化纳滤膜渗透通量低、易污染、耐氯性差等缺点限制了其在工业中的应用。根据被分离物质尺寸开发高通量耐污染复合纳滤膜逐渐成为纳滤膜制备的新思路。本研究采用多种方法制备不同种类的新型亲水性复合纳滤膜进行抗生素分离。重点研究了新型亲水性纳滤膜的结构、理化性质及分离性能;同时也探讨了分离条件对纳滤膜的抗生素分离的影响,以拓宽纳滤膜的应用范围。采用氨基封端聚乙二醇分子与均苯三甲酰氯(TMC)通过界面聚合工艺制备聚乙二醇基复合纳滤膜。通过改变界面聚合工艺,端氨基聚乙二醇分子量、分子结构等参数获得综合分离性能优异的复合纳滤膜;通过红外光谱、X-射线光电子能谱、扫描电子显微镜、Zeta电位分析仪、接触角测试仪等对膜的化学结构、表面结构进行表征;通过溶质传递法测试膜孔径分布;测试聚乙二醇基纳滤膜的的耐污染性、耐氯性与分离性能。研究表明,使用分子量600 g mol~(-1)的端氨基聚乙二醇与分子量为2000 g mol~(-1)的4臂端氨基聚乙二醇作为水相单体所制备的聚乙二醇基复合纳滤膜具有优异的亲水性能,纯水渗透通量可分别达13.2 L m~(-2) h~(-1) bar~(-1)与9.4 L m~(-2) h~(-1) bar~(-1),是由间苯二胺(MPDA)所制备传统聚酰胺(记为MPDA/TMC)复合纳滤膜的3倍以上,平均孔径分别为0.42 nm和0.38 nm,截留分子量分别为677.8 g mol~(-1)与496.2 g mol~(-1),表面荷正电,对Mg Cl2的截留率分别为95.4%和98.1%。此外,与MPDA/TMC复合纳滤膜相比,由于有饱和的醚氧基团,该种纳滤膜还具有优异的耐污染性能与耐氯性能。使用该种纳滤膜对抗生素进行分离试验,研究表明,与MPDA/TMC复合纳滤膜相比(5 bar下约7.8 L m~(-2) h~(-1)),相同压力下聚乙二醇基复合纳滤膜溶液通量是其4.5倍以上,对荷正电抗生素(妥布霉素)具有92.4%以上的截留率,适用于荷正电抗生素的浓缩与提纯。通过多巴胺涂覆进一步调节该种复合纳滤膜的孔径,使得该种纳滤膜对小分子量荷负电或两性抗生素分子的截留率大幅度提升,溶液通量仍可保持MPDA/TMC复合纳滤膜的3倍以上。调节进料温度、进料压力、进料流速可以改变膜的传质过程与浓差极化现象,从而优化该种纳滤膜的分离性能。当进料温度为30 oC,进料压力为8 bar,进料流量控制在70 L h~(-1)进料浓度为100 ppm时,该种纳滤膜对头孢氨苄的截留率可高达93.1%,渗透通量高达61.5 L m~(-2) h~(-1)。当浓度为800 ppm时,仍具有优异的分离性能;长期使用下,该种膜溶液通量稳定,清洗后溶液通量易恢复(通量恢复率90%以上)。采用没食子酸(GA)、聚乙烯亚胺(PEI)共涂覆制备新型疏松复合纳滤膜;通过对自支撑膜成膜行为、自愈行为、表面结构的研究,探索没食子酸聚乙烯亚胺的成膜机理。制备了GA/PEI复合纳滤膜,研究涂覆条件对膜染料分离性能的影响,研究其化学结构、表面结构及分离性能,发现该种纳滤膜聚有疏松的孔径结构,平均孔径约为0.53 nm,截留分子量约为950.0 g mol~(-1),纯水渗透通量达18.0 L m~(-2) h~(-1) bar~(-1),接触角小于40 o,亲水性能良好,具有优异的耐污染性能。该种膜在醇类、四氢呋喃(THF)溶剂中性能稳定,具有优异的耐溶剂性能。该种膜对阿奇霉素、孟加拉玫瑰红等较高分子量有机物(700~(-1)000 g mol~(-1))具有突出的分离效果。当进料温度为25 oC,进料压力为5 bar,进料流量为70L h~(-1)时,该种膜对阿奇霉素的渗透通量可高达41.3 L m~(-2) h~(-1),截留率高达96.3%。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.893;TQ465

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本文编号：2485341