基于二次界面聚合制备紧密型复合纳滤膜及其性能研究

发布时间：2020-09-28 08:46

　　纳滤作为一种高效分离技术,已在饮用水软化、微污染水处理以及工业流体分离等领域得到广泛应用。但是,面对越来越复杂的分离体系,纳滤膜在实际应用中也会存在通量低、选择分离性差的问题。从膜材料和制备方法入手,研制具有高通量和高选择分离性能的纳滤膜具有重要的学术意义和实用价值。本课题选用聚砜超滤膜(PSF)作多孔支撑层、哌嗪(PIP)作水相单体、均苯三甲酰氯(TMC)为有机相单体、鞣酸(TA)作第二水相反应材料,通过疏松初生态聚酰胺(PA)二次界面聚合制备高性能的紧密型PA/TA双层复合纳滤膜。采用傅里叶变换红外光谱仪(ATR-FTIR)、X射线光电子能谱仪(XPS)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、原子力显微镜(AFM)、Zeta电位测试仪、接触角测试仪等仪器对复合膜表面化学组成、形貌结构、荷电性以及亲水性等进行表征;采用错流分离试验,系统对比了PA/TA双层复合纳滤膜与PA单层复合纳滤膜的分离性能。得到以下结论:(1)利用初生态PA膜表面残留的酰氯基团,通过表面二次聚合反应,可以制得紧密型PA/TA双层复合纳滤膜。ATR-FTIR和XPS分析表明,TA通过分子上酚羟基与初生态PA分离层表面残余酰氯反应形成了一层TA分离层。TA分离层的形成使复合膜切割分子量由疏松PA复合膜的450Da降低至210Da,膜孔径由1.084 nm降至0.778 nm。Zeta电位、水接触角测试表明TA分离层的形成使复合纳滤膜表面荷负电性增强、亲水性有所降低。SEM和AFM表征结果发现,PA/TA复合膜表面更加致密。(2)与疏松PA复合膜相比,PA/TA双层复合膜的孔径减小和膜表面电负性得到增强,对不同无机盐的截留率均得到提高,且表现出紧密型荷负电纳滤膜的分离特性,即R_(Na2SO4)(98.7%)㧐R_(MgSO4)(95.6%)㧐R_(MgCl2)(78.8%)㧐R_(NaCl)(61.6%)。与具有相同NaCl截留率的PA单层复合膜相比,PA/TA双层复合膜具有更高的渗透通量;当NaCl截盐率为80%时,PA/TA双层膜的通量是相同截留率PA单层膜的2.3倍。复合膜经过长时间运行表明,PA/TA双层复合膜表现出良好的性能稳定性。(3)染料分离测试发现,在体积筛分效应以及道南排斥效应的共同作用下,同等NaCl截留率的PA/TA双层复合膜和PA单层复合膜对不同染料表现出相似的高截留性能。而PA/TA双层复合膜具有较高的初始通量和较小的通量损失率,表现出更好的染料分离性能。
【学位单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ051.893
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章绪论
    1.1 纳滤膜与膜材料
    1.2 纳滤膜的制备
        1.2.1 相转化法
        1.2.2 复合法
    1.3 界面聚合复合纳滤膜性能提升
        1.3.1 优化多孔支撑膜
        1.3.2 改变水相组成
        1.3.3 改变有机相组成
        1.3.4 表面改性
    1.4 研究意义及主要内容
        1.4.1 研究意义
        1.4.2 主要内容
第二章实验部分
    2.1 实验原料试剂及仪器设备
    2.2 PA/TA双层复合纳滤膜的制备
        2.2.1 PA/TA双层复合膜的制备
        2.2.2 PA单层复合膜的制备
    2.3 PA/TA双层复合纳滤膜的表征
        2.3.1 傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)分析
        2.3.2 X射线光电子能谱（XPS）表征
        2.3.3 场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)分析
        2.3.4 原子力显微镜（AFM）分析
        2.3.5 膜表面Zeta电位测试
        2.3.6 膜表面静态接触角测试
    2.4 复合膜分离性能评价
        2.4.1 渗透通量的测定
        2.4.2 截留率的测定
        2.4.3 截留分子量的测定
        2.4.4 染料分离性能测试
第三章 PA/TA双层复合纳滤膜的制备及表征
    3.1 复合纳滤膜的制备
        3.1.1 疏松PA复合膜的制备
        3.1.2 PA/TA双层复合膜的制备
        3.1.3 PA单层复合膜的制备
    3.2 复合纳滤膜的表征
        3.2.1 傅里叶变换衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）分析
        3.2.2 X射线光电子能谱仪(XPS)分析
        3.2.3 场发射扫面电子显微镜(FE-SEM)分析
        3.2.4 原子力电子显微镜（AFM）分析
        3.2.5 膜表面Zeta电位测定
        3.2.6 膜表面静态接触角测定
    3.3 本章小结
第四章 PA/TA双层复合纳滤膜的分离性能研究
    4.1 截留分子量（MWCO）的测定
    4.2 复合膜对无机盐分离性能研究
        4.2.1 复合膜对不同无机盐分离性能
        4.2.2 操作压力对复合膜截留性能的影响
        4.2.3 进料液浓度对复合膜截留性能的影响
        4.2.4 进料液pH对复合膜分离性能的影响
        4.2.5 复合膜分离稳定性测试
    4.3 复合膜染料分离性能测试
    4.4 本章小结
第五章结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间发表论文

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