有机/无机杂化薄层复合膜的制备及分离性能研究

发布时间：2021-07-07 07:59

　　薄层复合膜属于致密膜的一个重要分支,其优异的分离性能被众多研究者关注。薄层复合膜通常由致密分离层、聚合物多孔层和无纺布支撑层三层构成,其突出的特点是可以通过分别调节致密分离层和聚合物多孔层的结构来优化膜的性能。但是,常规的聚合物分离膜由于受到“TRADE-OFF”效应的限制,很难在提高膜通量的同时,维持其优异的选择性。因此,开发新型膜材料并对薄层复合膜进行优化设计,一直是近期的研究热点。金属有机骨架（MOFs）材料是一种新型的有机-无机杂化材料。由于其高孔隙率和比表面积、可控的孔形态结构以及优异的孔道筛分效应等特点,在分离、吸附、催化领域显示出独特的优势。研究表明,将金属有机骨架的多孔性与聚合物优异的成膜性相结合,制备MOFs/聚合物杂化纳滤膜,有望突破“TRADE-OFF”限制,实现通量和选择性的同时提升。本研究利用“界面反应”的自愈性,分别采用了“自组装与界面反应结合”和“螯合辅助界面反应”法制备了ZIF-8/PEI-HPAN杂化纳滤膜,并对膜的微观形貌、物理化学性质、分离性能做了详细深入的研究。此外,还通过“复合热致相分离法”调控聚醚砜基膜结构和性能,降低了复合正渗透膜的内浓差极... 

【文章来源】：北京工业大学北京市 211工程院校

【文章页数】：139 页

【学位级别】：博士

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摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 膜分离技术
        1.1.1 定义
        1.1.2 特点及分类
    1.2 分离膜及其制备方法
        1.2.1 常用聚合物膜材料
        1.2.2 无机膜
        1.2.3 分离膜的制备方法
        1.2.4 超薄分离层的制备方法
    1.3 新型膜材料
        1.3.1 金属有机骨架(MOFs)
        1.3.2 氧化石墨烯(GO)
        1.3.3 水通道蛋白(AQP)
        1.3.4 碳纳米管(CNT)
        1.3.5 沸石分子筛
    1.4 薄层复合膜的可设计性
        1.4.1 薄层复合膜的结构特点
        1.4.2 超薄分离层的可设计性
        1.4.3 聚合物多孔层的可设计性
    1.5 薄层复合膜的应用
        1.5.1 海水和苦咸水淡化
        1.5.2 高浓盐水处理
        1.5.3 饮用水处理
        1.5.4 工业废水处理
        1.5.5 纯水和超纯水的制备
        1.5.6 能源领域
    1.6 本课题的研究意义
    1.7 本课题研究的主要内容
    1.8 课题来源
    1.9 本章小结
第2章 实验部分
    2.1 实验材料与仪器
        2.1.1 实验材料
        2.1.2 实验仪器
    2.2 薄层复合膜的制备
        2.2.1 自组装与界面反应结合制备ZIF-8/PEI薄层复合纳滤膜
        2.2.2 螯合辅助界面反应法制备ZIF-8/PEI-HPAN薄层复合纳滤膜
        2.2.3 复合热致相分离法制备薄层复合正渗透膜
        2.2.4 层层组装法制备薄层复合正渗透膜
    2.3 纳滤膜性能评价
        2.3.1 通量和截留率
        2.3.2 渗透系数
    2.4 正渗透膜性能评价
        2.4.1 渗透通量和反向盐通量
        2.4.2 纯水透过系数、盐透过系数和截留率
        2.4.3 孔隙率
        2.4.4 结构因子
    2.5 膜的表征
        2.5.1 扫描电镜(SEM)分析
        2.5.2 原子力显微镜(AFM)分析
        2.5.3 红外光谱(FTIR)分析
        2.5.4 膜表面亲水性表征
        2.5.5 Zeta电位
        2.5.6 粒径分析及液体zeta电位
        2.5.7 X射线光电子能谱(XPS)
        2.5.8 X射线衍射仪(XRD)
        2.5.9 熔点和结晶温度
        2.5.10 拉伸强度和断裂伸长率
        2.5.11 纳米压痕
    2.6 本章小结
第3章 ZIF-8/PEI杂化纳滤膜的制备及性能表征
    3.1 引言
    3.2 ZIF-8/PEI杂化纳滤膜的微观形貌及物理化学性质表征
        3.2.1 粒径分析
        3.2.2 微观形貌表征
    3.3 制备条件对膜性能的影响
        3.3.1 静电组装过程
        3.3.2 界面反应过程
    3.4 ZIF-8/PEI杂化膜的纳滤性能
        3.4.1 不同操作条件对膜分离性能的影响
        3.4.2 长期实验和抗污性
        3.4.3 性能比较
    3.5 本章小结
第4章 螯合辅助界面反应法制备ZIF-8/PEI-HPAN薄层复合纳滤膜
    4.1 引言
    4.2 ZIF-8/PEI-HPAN复合膜的制备
    4.3 微观形貌表征
    4.4 制备条件对膜性能的影响
        4.4.1 螯合过程
        4.4.2 界面反应过程
    4.5 ZIF-8/PEI-HPAN复合膜的纳滤性能研究
    4.6 ZIF-8/PEI-HPAN复合膜的抗污染性
    4.7 纳滤分离性能对比
    4.8 本章小结
第5章 PA/PES薄层复合正渗透膜的制备及性能研究
    5.1 引言
    5.2 聚醚砜基膜的结构与性能
        5.2.1 聚醚砜基膜的微观结构
        5.2.2 聚醚砜基膜的物理化学性能
        5.2.3 聚醚砜基膜的结构与性能
    5.3 薄层复合正渗透膜的结构与性能
        5.3.1 复合膜的微观结构
        5.3.2 复合膜的分离性能
    5.4 薄层复合正渗透膜的运行稳定性和性能对比
    5.5 本章小结
第6章 层层组装法制备薄层复合正渗透膜
    6.1 引言
    6.2 TFC-FO的微观形貌及物理化学性质表征
    6.3 组装条件对TFC-FO膜性能的影响
        6.3.1 MPD浓度
        6.3.2 TMC浓度
        6.3.3 组装层数
    6.4 性能对比
    6.5 本章小结
结论
参考文献
符号说明
    1.符号说明
    2.英文缩写
附录
攻读博士学位期间所发表的学术论文
致谢


【参考文献】：
期刊论文
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博士论文
[1]沸石分子筛膜与多孔碳材料的合成及表征[D]. 张金磊.吉林大学 2013

硕士论文
[1]碳纳米管填充聚酰胺反渗透膜的设计与制备[D]. 施国忠.浙江大学 2011



本文编号：3269255