多巴胺界面反应构筑高效复合纳滤膜及其分离性能研究
发布时间：2021-08-11 13:03
随着工业化的不断推进,水资源匮乏与水污染问题日益突出。在此背景下,膜分离技术应运而生,为水处理提供了环保、高效、低能耗、可持续的解决方案。而为推动先进分离膜的大规模应用和发展,研究人员不断优化和降低选择层厚度,以减小膜的传质阻力,在保证高截留率的前提下提高膜的渗透通量。然而在构筑超薄分离膜的过程中仍存在缺陷,提高可控性和稳定性能等挑战。并且随着工业化发展越来越迅速,伴随其排放的有机废液增多,不仅对水资源造成污染,而且浪费可回收的有机溶剂。因此,耐有机溶剂纳滤膜也引起了研究者们的广泛关注。但是,在高浓度特别是强极性有机溶剂环境下使用时对纳滤膜材料的要求很高,由此可用于复杂有机溶剂环境下的纳滤膜材料也急需技术突破。本论文通过仿生多巴胺与传统方法相结合的策略在多孔基膜上进行可调控界面反应来构建高效超薄分离层,制备了三元仿生共涂覆水处理纳滤膜、环糊精仿生耐溶剂纳滤膜以及金属有机框架仿生多功能水及有机溶剂纳滤膜。获得在水及有机溶剂体系环境下具有高通量、优异稳定性的新型纳滤膜。通过多酚类物质（PPh）/氨基化物质（AS）/金属离子（TMIn+）涂覆溶液体系中共价键与配位键间的竞争反应在多孔基膜上形...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：141 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
超滤膜分离过程[8]
第1章绪论-3-和微咸水（TDS在1000-5000ppm之间）的淡化。另一个重要的应用是半导体工业超纯水的生产。反渗透膜在高于渗透压差的压力驱动下，水从浓缩溶液一侧通过膜流到稀释的溶液中，进料液中的其它成分被阻挡在高压侧，称为浓缩液（图1-2）[10,11]。常见的商业化反渗透膜通常为聚酰胺复合膜，主要由聚酯网络层（支撑层）、微孔中间层以及超薄过滤层三部分组成，脱盐率可高达99%。近年来膜材料的发展、制备方法和工艺的不断优化，已经很大程度上提高了反渗透膜的使用寿命、提高脱盐效率以及降低投资和运营成本，但进一步研发多功能膜材料以达到低能耗、提高生产能力的目的仍具有重要意义。图1-2反渗透现象及分离过程[10,11]Fig.1-2Reverseosmosisphenomenonandseparationprocess1.2.3纳滤膜纳滤膜（NF）由于具有独特的孔径和分离特性，作为膜分离典型过程的纳滤膜技术越发受到学术界和工业界的青睐。纳滤膜的孔径约为0.5-2nm，可除去小分子量有机物和高价盐，被用于饮用水的软化，污水进一步处理和回收利用、染料废液的处理等[12]。纳滤膜技术由于其独特的孔结构和截留分子量（介于200-1000gmol-1）正逐渐成为生物制药、污水处理、溶剂回收等领域实用的前沿技术。但是，在高浓度特别是强极性有机溶剂环境下使用时对纳滤膜材料的要求很高，由此可用于复杂有机溶剂环境下的纳滤膜材料急需技术突破[13,14]。根据纳滤膜分离体系的不同，又可分为水溶液纳滤和耐溶剂纳滤等。我国对纳滤膜成膜机理及孔径控制等关键理论技术的研究和纳滤膜应用研究相对较少，纳滤膜研究急需加强。1.3纳滤膜的制备方法1.3.1相转化法L-S相转化法，又名浸没沉淀相转化技术，如图1-3所示，首先将聚合物
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-4-溶解在有机溶剂，加热反应一段时间后进行刮膜。以磺化聚醚砜纳滤膜为例[15]，将原料磺化聚醚砜、溶剂加热至20~50℃，刮膜后再置于热水中，使其进行二次凝胶处理，处理后可得到高性能的磺化聚醚砜纳滤膜。上述制备方法得到的纳滤膜对Na2SO4、NaCl的分离率可达到98%，水通量为13~150Lm-2h-1。这种制膜方法不仅在商业化的生产中得到广泛应用，而且在制备复合纳滤膜的基膜也大多采用此方法[16]。为了能够获得性能优异的纳滤膜，一般会在非溶剂相中加入一些盐类、乙醇、表面活性剂、纳米粒子、低分子量的有机物或聚合物等以提高膜的机械性能和分离效果。图1-3L-S法制备纳滤膜[16]Fig.1-3ThefabricationprocessofnanofiltrationmembranesthroughL-S复合纳滤膜比相转化法制备的非对称膜有诸多优点，复合纳滤膜由皮层和支撑层复合而来，可通过调节皮层厚度或改性皮层提高膜的性能。通过复合改性制备不同材料的功能皮层，大大扩宽了可用的纳滤膜材料范围。支撑层孔径约为10~100nm，而皮层比较致密，孔径约为0.5~2nm左右，起到选择性截留的作用。制备复合纳滤膜常用的有层层自组装法[17,18]、表面接枝法[19,20]、界面聚合法[21,22]和仿生粘合[23-25]等。其中界面聚合法、仿生粘合法以及层层自组装法为目前复合纳滤膜的主要制备方法。目前使用最多的就是仿生粘合和界面聚合法。1.3.2层层自组装法层层自组装（LBL）[26]处理法是一种近年来发展起来的复合纳滤膜制备方法，其合成原料及方法都有一定的局限，主要通过在微滤膜的表面复合聚电解质单体，制备出的荷电纳滤膜的过滤性能具有一定的选择性，当过滤离子的荷
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳滤膜材料研究进展[J]. 李祥,张忠国,任晓晶,李继定. 化工进展. 2014(05)
[2]一种新型高通量纳滤膜研究[J]. 李兆魁,李强,周勇,高从堦. 水处理技术. 2013(02)
[3]聚合物复合物层层组装膜[J]. 孙俊奇. 高分子学报. 2011(09)
[4]纳滤水处理应用研究现状与发展前景[J]. 侯立安,刘晓芳. 膜科学与技术. 2010(04)
[5]反渗透膜技术研究和应用进展[J]. 许骏,王志,王纪孝,王世昌. 化学工业与工程. 2010(04)
[6]界面聚合法制备复合膜[J]. 汤蓓蓓,徐铜文,武培怡. 化学进展. 2007(09)
[7]膜法水处理技术的研究与应用现状[J]. 谭德君,吕伟娅,王雅琴. 环境保护科学. 2006(06)
[8]我国液体分离膜技术现状及展望[J]. 王晓琳,杨健,徐南平,高从堦. 南京工业大学学报(自然科学版). 2005(05)
[9]磺化聚醚砜纳滤膜性能研究[J]. 俞三传,高从土皆. 水处理技术. 2000(02)
硕士论文
[1]聚酰胺复合纳滤膜表面接枝硅烷偶联剂及其性能研究[D]. 黄文强.浙江理工大学 2017
本文编号：3336208
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：141 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
超滤膜分离过程[8]
第1章绪论-3-和微咸水（TDS在1000-5000ppm之间）的淡化。另一个重要的应用是半导体工业超纯水的生产。反渗透膜在高于渗透压差的压力驱动下，水从浓缩溶液一侧通过膜流到稀释的溶液中，进料液中的其它成分被阻挡在高压侧，称为浓缩液（图1-2）[10,11]。常见的商业化反渗透膜通常为聚酰胺复合膜，主要由聚酯网络层（支撑层）、微孔中间层以及超薄过滤层三部分组成，脱盐率可高达99%。近年来膜材料的发展、制备方法和工艺的不断优化，已经很大程度上提高了反渗透膜的使用寿命、提高脱盐效率以及降低投资和运营成本，但进一步研发多功能膜材料以达到低能耗、提高生产能力的目的仍具有重要意义。图1-2反渗透现象及分离过程[10,11]Fig.1-2Reverseosmosisphenomenonandseparationprocess1.2.3纳滤膜纳滤膜（NF）由于具有独特的孔径和分离特性，作为膜分离典型过程的纳滤膜技术越发受到学术界和工业界的青睐。纳滤膜的孔径约为0.5-2nm，可除去小分子量有机物和高价盐，被用于饮用水的软化，污水进一步处理和回收利用、染料废液的处理等[12]。纳滤膜技术由于其独特的孔结构和截留分子量（介于200-1000gmol-1）正逐渐成为生物制药、污水处理、溶剂回收等领域实用的前沿技术。但是，在高浓度特别是强极性有机溶剂环境下使用时对纳滤膜材料的要求很高，由此可用于复杂有机溶剂环境下的纳滤膜材料急需技术突破[13,14]。根据纳滤膜分离体系的不同，又可分为水溶液纳滤和耐溶剂纳滤等。我国对纳滤膜成膜机理及孔径控制等关键理论技术的研究和纳滤膜应用研究相对较少，纳滤膜研究急需加强。1.3纳滤膜的制备方法1.3.1相转化法L-S相转化法，又名浸没沉淀相转化技术，如图1-3所示，首先将聚合物
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-4-溶解在有机溶剂，加热反应一段时间后进行刮膜。以磺化聚醚砜纳滤膜为例[15]，将原料磺化聚醚砜、溶剂加热至20~50℃，刮膜后再置于热水中，使其进行二次凝胶处理，处理后可得到高性能的磺化聚醚砜纳滤膜。上述制备方法得到的纳滤膜对Na2SO4、NaCl的分离率可达到98%，水通量为13~150Lm-2h-1。这种制膜方法不仅在商业化的生产中得到广泛应用，而且在制备复合纳滤膜的基膜也大多采用此方法[16]。为了能够获得性能优异的纳滤膜，一般会在非溶剂相中加入一些盐类、乙醇、表面活性剂、纳米粒子、低分子量的有机物或聚合物等以提高膜的机械性能和分离效果。图1-3L-S法制备纳滤膜[16]Fig.1-3ThefabricationprocessofnanofiltrationmembranesthroughL-S复合纳滤膜比相转化法制备的非对称膜有诸多优点，复合纳滤膜由皮层和支撑层复合而来，可通过调节皮层厚度或改性皮层提高膜的性能。通过复合改性制备不同材料的功能皮层，大大扩宽了可用的纳滤膜材料范围。支撑层孔径约为10~100nm，而皮层比较致密，孔径约为0.5~2nm左右，起到选择性截留的作用。制备复合纳滤膜常用的有层层自组装法[17,18]、表面接枝法[19,20]、界面聚合法[21,22]和仿生粘合[23-25]等。其中界面聚合法、仿生粘合法以及层层自组装法为目前复合纳滤膜的主要制备方法。目前使用最多的就是仿生粘合和界面聚合法。1.3.2层层自组装法层层自组装（LBL）[26]处理法是一种近年来发展起来的复合纳滤膜制备方法，其合成原料及方法都有一定的局限，主要通过在微滤膜的表面复合聚电解质单体，制备出的荷电纳滤膜的过滤性能具有一定的选择性，当过滤离子的荷
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳滤膜材料研究进展[J]. 李祥,张忠国,任晓晶,李继定. 化工进展. 2014(05)
[2]一种新型高通量纳滤膜研究[J]. 李兆魁,李强,周勇,高从堦. 水处理技术. 2013(02)
[3]聚合物复合物层层组装膜[J]. 孙俊奇. 高分子学报. 2011(09)
[4]纳滤水处理应用研究现状与发展前景[J]. 侯立安,刘晓芳. 膜科学与技术. 2010(04)
[5]反渗透膜技术研究和应用进展[J]. 许骏,王志,王纪孝,王世昌. 化学工业与工程. 2010(04)
[6]界面聚合法制备复合膜[J]. 汤蓓蓓,徐铜文,武培怡. 化学进展. 2007(09)
[7]膜法水处理技术的研究与应用现状[J]. 谭德君,吕伟娅,王雅琴. 环境保护科学. 2006(06)
[8]我国液体分离膜技术现状及展望[J]. 王晓琳,杨健,徐南平,高从堦. 南京工业大学学报(自然科学版). 2005(05)
[9]磺化聚醚砜纳滤膜性能研究[J]. 俞三传,高从土皆. 水处理技术. 2000(02)
硕士论文
[1]聚酰胺复合纳滤膜表面接枝硅烷偶联剂及其性能研究[D]. 黄文强.浙江理工大学 2017
本文编号：3336208
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