耐溶剂混合基质膜的设计、制备及性能研究

发布时间：2020-07-12 03:39

【摘要】：聚丙烯腈(PAN)具有较高的化学稳定性、优异的成膜性,是制备有机膜的主要聚合物之一,在超滤、纳滤、透析和渗透蒸发等膜分离领域都有广泛的研究。但目前PAN膜仍存在通量较低,抗污染性能差和不耐溶剂等缺点,限制了其大规模的应用。为了解决上述关键问题,本论文通过结构设计,以PAN为原料,采用原位合成及非溶剂相转化(NIPS)的方法制备具有不对称结构的氧化石墨烯(GO)与无机纳米粒子掺杂的PAN混合基质膜,以提高超滤膜的渗透通量和抗污染性能。系统研究混合基质膜的孔结构、表面性质、渗透性能和抗污染能力,以及GO对混合基质膜结构与渗透性能的影响。在此基础上,通过研究混合基质膜在热交联过程中化学结构的变化规律,探讨提高混合基质膜耐热及耐溶剂性的方法。并进一步设计制备具有内嵌式结构、良好柔性的TiO2/PAN复合混合基质超滤膜,以实现采用热交联法制备耐溶剂型混合基质超滤膜的实际应用。取得了如下研究成果:(1)通过结构设计,以原位合成的方法制备了具有高通量、高孔隙率,良好亲水性和抗污染性能的GO/SiO2/PAN和GO/TiO2/PAN混合基质膜;系统地研究了 GO在相转化过程中对混合基质膜结构与渗透性能的影响规律,揭示了 GO与SiO2、TiO2纳米粒子的协同作用机制。1)以正硅酸乙酯(TEOS)、3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)、GO为无机掺杂物,所制备的GO/SiO2/PAN混合基质膜具有典型的指状孔结构,其指状孔呈垂直状且上下通透,底面呈多孔结构;膜的总孔隙率为79.6%,纯水接触角为53.5°,水通量为387.0L/(m2·h),两次循环抗污染通量恢复率为85.6%。GO的引入通过增加PAN的相分离速率,降低了膜表面皮层的厚度,提高了膜总孔隙率;同时C-N共价键的形成使氨基化的SiO2纳米粒子固定在GO表面,并伴随GO在溶剂与非溶剂交换时向膜表面和孔壁偏析,改善了膜表面的亲水性,明显地提高了混合基质膜的渗透通量和抗污染性能。2)采用易水解的钛酸四丁酯(TBT)代替硅的金属醇盐制备了 GO/TiO2/PAN混合基质膜。与GO/SiO2/PAN混合基质膜相比,GO/TiO2/PAN混合基质膜的总孔隙率高达88.8%;接触角减少为40.7°,水通量高达1487.6 L/(m2·h),两次循环抗污染通量恢复率为87.7%,明显高于GO/SiO2/PAN混合基质膜。与GO/SiO2/PAN混合基质膜不同的是,GO的引入不仅明显地降低膜表面皮层的厚度,而且在加快自身向表面偏析的同时,产生了 TiO2纳米粒子的“偏析造孔”作用,进一步增加了混合基质膜的总孔隙率和亲水性,从而使混合基质膜的水通量及抗污染性明显提高。(2)采用热致交联的方法制备了具有良好耐溶剂性的TiO2/PAN热交联膜。通过系统研究热交联过程中混合基质膜的化学结构的变化规律及TiO2的影响规律,发现在保持适宜的热交联温度和高气体流量的条件下,延长热交联反应时间(24h)有利于热交联膜孔结构的稳定化;TiO2纳米粒子的引入可有效地避免混合基质膜孔结构在热交联过程中的的熔融坍塌,较好地保持了原有的指状孔和海绵状孔结构;并揭示了 TiO2纳米粒子对PAN热交联膜孔结构保持的作用机制。(3)为了解决传统聚合物复合膜无纺布支撑体耐热性差的问题,以耐热柔性多孔材料为支撑体,通过浸润涂覆、原位合成和NIPS的方法,设计制备内嵌式柔性TiO2/PAN复合膜,并经热交联制备了耐溶剂型柔性热交联TiO2/PAN复合膜。所制备的柔性热交联TiO2/PAN复合膜能较好的保持复合膜原有的指状孔和海绵状孔结构,能耐受DMF等强极性溶剂的溶解作用,且由于复合膜表面和指状孔壁上的孔在热交联过程中的收缩,热交联复合膜具有纳滤性能,其Na2SO4截留率为47.7%。本研究工作开辟制备新型耐溶剂纳滤膜的新工艺和方法。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ051.893
【图文】：

形貌,形貌,分离膜,气体分离膜

耐溶剂混合基质膜的设计、制备及性能研宄逦逡逑。按照用途来分，固态分离膜又可以分为气体分离膜和液体分离膜。气体分离膜是逡逑对不同气体进行有效分离的膜材料，其可以为无机膜（碳分子筛膜、多孔碳膜、沸逡逑、超微孔硅气凝胶等）或有机膜（聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚醚砜等）。液体分离膜逡逑对水、有机溶剂等液体进行有效分离的膜材料，也是最早研究的分离膜材料。逡逑固态分离膜按照分离膜的形貌，又可分为致密膜、多孔膜和复合膜，如图Ｕ所示。逡逑

示意图,复合膜,无机复合膜,有机复合膜

复合膜可以分为有机－有机复合膜、无机－无机复合膜和有机－无机复合膜，如图１．３逡逑示。逡逑ｂｌｕＵＵＵＵＵＬＩＵＵＬ逡逑图１．３逦（ａ）有机－有机复合膜，（ｂ）无机－无机复合膜，（ｃ）有机－无机复合膜，逡逑（ｄ）复合炭膜断面结构示意图逡逑ｉ．１．ｒ－ｃｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｄｉａｒａｍ邋ｏｆａｏｒａｎｉｃ－ｏｒａｎｉｃ邋ｃｏｍｏｓｉｔｅ邋ｍｅｍｒｎ

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【参考文献】