碳基纳米材料填充混合基质反渗透膜的制备及构效关系研究

发布时间：2017-12-24 06:33

  本文关键词：碳基纳米材料填充混合基质反渗透膜的制备及构效关系研究　出处：《浙江大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：聚酰胺复合膜是目前最成功的商业化反渗透膜,已被广泛应用于脱盐、纯化等领域,但仍然存在诸如耐氯性差、易污染、通量有待进一步提高等问题。纳米科学的发展为解决这些问题提供了可能。石墨烯和碳纳米管是性能卓越的无机碳纳米材料,与有机聚合物的结合能够显著提高复合物的性能,具有广阔的应用前景。碳纳米管的中空管腔和石墨烯的片层间隙能够充当分子通道,使得它们在分离领域备受青睐。若能将具有分子通道的碳纳米材料很好的分散到聚酰胺反渗透复合膜,并解决有机-无机物间的相容性以及无机纳米材料的取向性等问题,则有望极大改善膜的分离性能和使用稳定性。针对上述目标,本论文在通过实验和分子模拟辅助解析反渗透复合膜层结构的基础上,采用共混或化学交联的方式分别将碳纳米材料引入反渗透膜的支撑层和分离层,利用物理手段实现碳纳米管在膜表面和内部的定向排列,并借助分子动力学模拟从微观层面研究碳纳米材料对反渗透膜分离性能的影响。本论文主要包括以下五个方面的内容：(1)为了提高石墨烯和碳纳米管在高分子基质中的分散性和相容性,采用混酸对碳纳米管进行氧化改性,采用异氰酸盐对氧化石墨烯进行有机化改性,结果表明：碳纳米管和氧化石墨烯的结构和性能均发生特定变化,碳纳米管在水溶液中的团聚现象明显减小；氧化石墨烯在有机溶剂中的分散性也显著提高。(2)对聚酰胺反渗透复合膜结构的深入了解有助于新型反渗透膜的设计,因此采用分子动力学模拟和等离子体刻蚀技术对聚酰胺复合膜的分离层和支撑层展开深度解析。结果表明：聚酰胺分离层在分子尺度上存在三种苯环残基结构单元,它们错综复杂相互作用,形成稳定的膜孔等高级结构。贯通的膜孔形成水分子通道,它对水分子的跨膜传递非常重要。在介观尺度上,聚酰胺分离层具有多孔结构,分离层的上部比较疏松,是由“峰”结构和“突起”结构组成,分离层的下部非常致密,是由“谷”结构和大量孔组成；聚砜支撑层从顶部到底部膜孔越来越大,但膜孔数量密度先增后减。(3)调控支撑底膜的结构是实现对聚酰胺分离层精确设计的重要手段。首先,尝试将功能化石墨烯加入聚砜底膜,结果发现：功能化石墨烯有助于改善聚砜膜的亲水性和稳定性。其次,通过热压-剥离法和原位等离子刻蚀法实现碳纳米管在聚砜底膜表面的取向性排列,为制备含取向性碳纳米管聚酰胺复合膜作准备。热压-剥离法利用剥离过程产生的剪切力和机械拉力可将碳纳米管从夹层中拉伸并以接近垂直的姿势定向在高分子膜表面,实现宏观操作来获得碳纳米管的微观定向。等离子体对碳纳米管和聚砜的差异性消耗能够暴露出具有一定取向的碳纳米管末端。(4)为了把石墨烯片层形成的分子通道引入聚酰胺复合膜中,将氧化石墨烯分散到MPD水相中,通过界面聚合法制备氧化石墨烯／聚酰胺纳米复合反渗透复合膜,实验结果表明：氧化石墨烯的出现能够一定程度上增加膜表面的亲水性、负电性和耐氯性,但对膜的产水通量改善很小。模拟结果表明：石墨烯在聚酰胺中难以形成有效的水分子通道。(5)为了充分发挥碳纳米管空腔在聚酰胺分离层的水分子通道作用,需要将碳纳米管以一定的取向引入膜内。通过原位等离子体刻蚀法得到聚砜膜表面取向性碳纳米管后,再结合界面聚合法制备含有取向性碳纳米管的聚酰胺纳米复合反渗透膜,结果表明：聚酰胺复合膜的产水通量提高一倍,但截留率略有降低。综上所述,水分子通道对聚酰胺反渗透复合膜的水分子传递具有重要的意义,本论文将两种多孔碳基纳米材料引入聚酰胺分离层以构建新型反渗透膜,结果表明：石墨烯在聚酰胺中难以形成有效的水分子通道,而碳纳米管空腔能够很好地充分水分子通道,从而显著改善聚酰胺反渗透复合膜的分离性能。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ051.893

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本文编号：1327287