聚氯乙烯共混膜为基膜的高性能复合正渗透膜的制备与表征

发布时间：2020-11-18 22:33

　　 正渗透技术作为一种利用正渗透膜两侧渗透压差作为传质驱动力的新型膜分离技术,由于其操作过程可以在常压下进行不需要使用高水压等优点,已经成为膜分离领域的一个热点技术。复合型正渗透膜由于水渗透性好和pH适用范围广等原因成为成为最受研究者关注的一种正渗透膜。但是由于正渗透过程中会发生不可避免的内浓差极化现象,从而大大降低正渗透过程中膜两侧的有效渗透压差,降低膜的正渗透性能。而复合正渗透膜的基膜的结构与性质对正渗透过程中的内浓差极化程度起到关键性影响,因此对复正渗透合膜基膜的制备研究降低正渗透过程中的内浓差极化程度是目前正渗透膜制备领域的研究热点。本文采用聚氯乙烯(PVC)作为基础材料分别与五种亲水材料共混制备了共混膜作为复合正渗透膜的基膜,再以间苯二胺(MPD)作为水相单体和均苯三甲酰氯(TMC)作为油相单体使用界面聚合法制备活性层的方法制备出了复合正渗透膜。本文采用了三种商品化的亲水高分子材料(聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、磺化聚砜(SPSU)和醋酸丁酸纤维素(CAB))还成功合成了两种材料(纤维素氨基甲酸酯(CC)和季铵化聚苯醚(QPPO))分别与PVC共混用以制备复合膜的基膜。并且本文从每种亲水材料的共混比例的角度考察了这五种材料的加入量对复合膜的性质和正渗透性能进行了考察,实验结果显示这五种材料加入后复合膜的正渗透性能都得到了明显的提升,且得出PVB、SPSU、CAB、CC和QPPO这五种材料的最佳共混比例分别为30%、2.5%、20%、10%和40%(对应的复合膜编号分别为TFC-B-30、TFC-U-2.5、TFC-A-20、TFC-C-10和TFC-Q-40)。在使用1 mol/L NaCl溶液作为汲取液,去离子水作为供给液,分别在FO/PRO模式下进行正渗透性能测试时:复合膜的水通量分别从4.02/6.50 L?m~(-2)?h~(-1)提升至了29.37/49.85 L?m~(-2)?h~(-1)、25.53/48.37 L?m~(-2)?h~(-1)、23.58/44.52L?m~(-2)?h~(-1)、21.63/40.40 L?m~(-2)?h~(-1)和36.39/68.84 L?m~(-2)?h~(-1);特征盐通量分别从0.558/0.614g?L~(-1)下降至了0.109/0.098 g?L~(-1)、0.101/0.093 g?L~(-1)、0.193/0.172 g?L~(-1)、0.110/0.099 g?L~(-1)和0.081/0.079 g?L~(-1)。实验结果显示这五种材料都能明显改善基膜和复合膜的性质和结构,从而使得复合膜的正渗透性能得到明显的提升。这主要是由于一方面亲水性材料加入后所制备出的基膜的孔隙率、平均孔径和亲水性都有了明显的提升,这样的结构改变是有利于促进正渗透过程中基膜中的液体和基膜外侧溶液发生传质交换效率,从而降低正渗透过程中的内浓差极化程度;另一方面由于基膜性质和结构的变化影响了界面聚合过程,导致复合膜的形态和交联度都发生了变化,使得活性层的纯水渗透性有了明显提升且盐截留率保持在合理范围内。以水通量和特征盐通量对以上五种最优比例的复合膜的正渗透性能进行横向比较,发现这五种材料的共混加入对复合膜的正渗透性能都有十分明显的改善,最终确定这五种最优共混比例的复合膜正渗透性能优异程度的排序依次为:TFC-Q-40TFC-B-30TFC-U-2.5TFC-C-10TFC-A-20。并且这五种正渗透膜相较于商品复合正渗透膜(HTI公司复合型正渗透膜)都展现出了更优异的正渗透性能。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ051.893
【文章目录】：
摘要
Abstract
主要符号表
第一章 绪论
    1.1 正渗透技术概述
        1.1.1 正渗透技术的原理
        1.1.2 正渗透技术的传质理论
        1.1.3 正渗透技术的优点
        1.1.4 正渗透技术中存在的问题
    1.2 复合正渗透膜概述与研究进展
        1.2.1 正渗透膜的分类
        1.2.2 复合正渗透膜的制备方法
        1.2.3 复合正渗透膜基膜的研究进展
        1.2.4 复合正渗透膜活性层的研究进展
    1.3 聚氯乙烯在膜分离技术中的应用
        1.3.1 聚氯乙烯概述
        1.3.2 聚氯乙烯制备分离膜的研究进展
    1.4 本课题的研究意义、内容与技术路线
        1.4.1 研究意义与内容
        1.4.2 技术路线
第二章 聚氯乙烯/聚乙烯醇缩丁醛基复合正渗透膜的制备与表征
    2.1 材料与方法
        2.1.1 材料与仪器
        2.1.2 复合正渗透膜的制备
        2.1.3 基膜和复合膜的表征
        2.1.4 复合膜的固有参数和结构参数的测量
        2.1.5 正渗透性能测试
    2.2 结果与讨论
        2.2.1 聚乙烯醇缩丁醛共混比例对基膜的影响
        2.2.2 聚乙烯醇缩丁醛共混比例对活性层的影响
        2.2.3 聚酰胺活性层在不同基膜上的形成机理
        2.2.4 复合膜的固有渗透系数和结构参数
        2.2.5 复合膜的正渗透性能
    2.3 本章小结
第三章 聚氯乙烯/磺化聚砜基复合正渗透膜的制备与表征
    3.1 材料与方法
        3.1.1 材料与仪器
        3.1.2 复合正渗透膜的制备
        3.1.3 基膜和复合膜的表征
        3.1.4 复合膜的固有参数和结构参数的测量
        3.1.5 正渗透性能测试
    3.2 结果与讨论
        3.2.1 磺化聚砜共混比例对基膜的影响
        3.2.2 磺化聚砜共混比例对活性层的影响
        3.2.3 复合膜的固有渗透系数和结构参数
        3.2.4 复合膜的正渗透性能
    3.3 本章小结
第四章 聚氯乙烯/醋酸丁酸纤维素基复合正渗透膜的制备与表征
    4.1 材料与方法
        4.1.1 材料与仪器
        4.1.2 复合正渗透膜的制备
        4.1.3 基膜和复合膜的表征
        4.1.4 复合膜的固有参数和结构参数的测量
        4.1.5 正渗透性能测试
    4.2 结果与讨论
        4.2.1 醋酸丁酸纤维素共混比例对基膜的影响
        4.2.2 醋酸丁酸纤维素共混比例对活性层的影响
        4.2.3 复合膜的固有渗透系数和结构参数
        4.2.4 复合膜的正渗透性能
    4.3 本章小结
第五章 聚氯乙烯/纤维素氨基甲酸酯基复合正渗透膜的制备与表征
    5.1 材料与方法
        5.1.1 材料与仪器
        5.1.2 纤维素氨基甲酸酯的制备
        5.1.3 复合正渗透膜的制备
        5.1.4 纤维素氨基甲酸酯的表征
        5.1.5 基膜和复合膜的表征
        5.1.6 复合膜的固有参数和结构参数的测量
        5.1.7 正渗透性能测试
    5.2 结果与讨论
        5.2.1 纤维素氨基甲酸酯的制备与化学性质
        5.2.2 纤维素氨基甲酸酯共混比例对基膜的影响
        5.2.3 纤维素氨基甲酸酯共混比例对活性层的影响
        5.2.4 复合膜的固有渗透系数和结构参数
        5.2.5 复合膜的正渗透性能
    5.3 本章小结
第六章 聚氯乙烯/季铵化聚苯醚基复合正渗透膜的制备与表征
    6.1 材料与方法
        6.1.1 材料与仪器
        6.1.2 季铵化聚苯醚的制备
        6.1.3 复合正渗透膜的制备
        6.1.4 季铵化聚苯醚的表征
        6.1.5 基膜和复合膜的表征
        6.1.6 复合膜的固有参数和结构参数的测量
        6.1.7 正渗透性能测试
    6.2 结果与讨论
        6.2.1 季铵化聚苯醚的制备与化学性质
        6.2.2 季铵化聚苯醚共混比例对基膜的影响
        6.2.3 季铵化聚苯醚共混比例对活性层的影响
        6.2.4 复合膜的固有渗透系数和结构参数
        6.2.5 复合膜的正渗透性能
        6.2.6 本文中五种复合正渗透膜的性能比较
    6.3 本章小结
结论与展望
    主要结论
    创新点
    不足与展望
参考文献
攻读博士学位期间取得的研究成果
致谢
附件

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本文编号：2889301