高性能纳滤膜的超薄荷电分离层设计及应用研究

发布时间：2020-05-25 06:22

【摘要】：纳滤膜是一种压力驱动膜,分离性能介于超滤和反渗透之间,能有效分离分子量200 Da以上的中小分子和多价离子,广泛应用于水处理、食品工业、医药卫生、石油工业等领域。目前,界面聚合法制备的聚酰胺类复合纳滤膜是市场主流产品。针对日益复杂的分离体系,表面超薄皮层的构筑与调控是提高纳滤膜性能的重要策略之一,以满足其高渗透通量和选择性。本论文从分离层的结构设计出发,通过催化反应来控制二胺单体释放,基于界面聚合在基膜表面实现聚酰胺分离层的可控形成,并借助多巴胺的反应活性,在聚酰胺膜表面构筑PDA/PEI/PAA多电荷层,实现对二价阴、阳离子共截留和高浓度盐的分离。具体研究内容和结果如下:(1)以对硝基苯胺为前驱体,通过Au纳米粒子催化加氢反应将其还原成对苯二胺,随后与均苯三甲酰氯界面聚合制备聚酰胺复合膜。研究了对苯二胺浓度与催化时间的关系,以及催化时间对聚酰胺复合膜表面形貌、化学组成和分离性能的影响。结果表明,采用催化反应控制对苯二胺的缓慢释放,0.02 wt%低浓度可以制备出完整致密的聚酰胺膜,对Na_2SO_4的截留率达91.2%。通过控制催化时间,实现对聚酰胺复合膜的表面形貌、化学组成的有效调控,以及对分离性能从超滤到纳滤的调节。(2)利用多巴胺对聚酰胺膜表面改性,使其具有反应位点,通过迈克尔加成和席夫碱生成反应,将PEI固定在膜表面,并通过PEI和PAA间的静电自组装,实现膜表面多电荷层的构筑。结果表明,延长PDA沉积时间或者增加PEI浓度,可增加纳滤膜选择分离层厚度并减小孔径,进而增加对离子的选择性。通过SEM表征,最优纳滤膜的选择分离层厚度为220±5 nm,其中PEI/PAA双电层的厚度只有17±5 nm。PEI/PAA复合纳滤膜对二价阴离子和阳离子都表现出超高截留性能,尤其是对高浓度盐溶液(20 g L~(-1))的截留率可达90%以上,克服了因高渗透压和高浓差极化引起截留降低的难题。此外,PEI/PAA复合膜对NaCl的截留在60%左右,说明对一价离子仍具有一定程度的选择性。
【图文】：

示意图,纳滤膜,示意图,去离子水

常将聚合后的膜在60 或者80°C 下热处理一段时间，最后将膜保存在去离子水中。图1.1 界面聚合法制备纳滤膜示意图[38]Fig. 1.1 Schematic preparation of nanofiltration membrane by interfacial polymerization

上界面,多巴胺,聚酰胺,纳滤膜

- 11 -图1.2 聚酰胺膜电镜照片（a）SWCNTs 上界面聚合（b）多巴胺改性SWCNTs 上界面聚合[41]Fig. 1.2 SEM images of polyamide layer formed via interfacial polymerization on the surface of a) pristineSWCNTs film and b) PD/SWCNTs film.S. Verissimo[42]等采用不同类型的二胺单体界面聚合制备了一系列复合纳滤膜，以此来研究单体对纳滤膜性能的影响。发现用哌嗪（PIP）、二氨基哌嗪（DAP）制备的纳滤膜，，表面荷负电，对盐的截留表现出 NaCl < MgSO4< Na2SO4的顺序；用1,4 -双（3 -氨基丙基）-哌嗪（DAPP）制备的纳滤膜，表面荷正电，对盐的截留顺序是 Na2SO4<NaCl < MgSO4；用 N-（2-氨基乙基）哌嗪制备的纳滤膜表面基本不带电，呈电中性。从上述研究结果可以看出单体的种类可以决定纳滤膜选择层的带电性能，从而影响对不同盐的截留。1.5.2.2.3 层层自组装法层层自组装是分子单元间通过识别、相互协调装备和多重结合来形成有序排列的分子聚集体[43]。层层自组装可以控制纳滤膜选择层的电荷和厚度，而且该法大多采用水相体系，制备过程绿色环保。目前，使用最广的是聚电解质自组装，通过静电相互作用，在基膜表面层层组装上带有相反电荷的聚电解质
【学位授予单位】：宁波大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ051.893

【参考文献】