薄膜复合纳滤膜结构设计及脱盐性能研究
发布时间：2021-04-14 22:30
纳滤膜能够有效截留多价离子和分子量在150 Da以上的小分子有机物,被应用于海水和苦咸水脱盐、废水处理、食品加工、精细化工等方面。目前,商品化纳滤膜以薄膜复合膜结构形式为主,由聚酰胺分离层和超滤支撑衬底组成。分离层对纳滤膜的分离性能起决定性作用,设计和优化分离层的表观形貌结构及内部分子网络结构是制备高通量、高选择性纳滤膜的关键。增加有效过滤面积、降低分离层厚度能够有效增加过滤通量;均一分布的孔径结构能够赋予纳滤膜更高的选择性。这些理想分离层结构的构建依赖于纳米级别和分子级别的调控,在由界面聚合法制备分离层的过程中,主要涉及到两相界面位置、分子扩散行为以及聚合反应程度的控制等问题,在技术上具有一定挑战性。本论文利用可牺牲模板法,可控地构建了分离层的褶皱结构,增加了纳滤膜的有效过滤面积。利用限域界面聚合法,得到了超薄荷正电性聚酰胺分离层。采用具有规整结构的聚合物单体,同时结合界面聚合过程中对单体扩散行为的规范作用,实现了具有超窄孔径分布的聚酰胺分离层制备。具体研究工作包括以下三部分:（1）具有褶皱结构的薄膜复合聚酰胺纳滤膜的设计和构建。传统薄膜复合纳滤膜受限于有限的膜面积以及分离层与衬底之...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．?１传统薄膜复合聚酰胺纳滤膜的横截面结构图丨１０丨??
完整的??聚酰胺薄膜。然而此中间层己经将膜的水通量降至２．６?Ｌ?ｎｒ２?ｈ－１?ｂａｆ１，不适用于??纳滤膜分离层的进一步构建。除此之外，为得到较致密的分离层，需要多次循环??沉积，水通量也会随之下降［４３］。??ＰＥＩＰＡＡ?一?ｎ?“叫?＿?“?鉀??ｆ獻?ｉ：丨?：：二－：；．暑，，?：丨？??Ｉ?Ｉ?ｎ??ｚ?⑴＇、?，仰，⑶．、??ｒ?ｒ?ｆ??顧癖纖丨?＇■、？?，??＇弋?！????—－？■？＂（６）????—??图１．２分子层层组装法制备聚酰胺分离层示意图Ｍ??（３）界面聚合法??１９５９年，Ｗｉｔｔｂｅｃｋｅｒ和Ｍｏｒｇａｎ提出了“界面缩聚”方法［４６４７１，他们将胺单??体和酰氯单体分别溶解在互不相容的水、油两相溶剂中，两者在两相界面附近相??遇并通过Ｓｃｈｏｔｔｅｎ－Ｂａｕｍａｎｎ反应进行缩合聚合，得到大分子质量的聚酸胺。胺与??酰氯的反应速率很高，如哌嗪和酰氯的反应速率常数ｋ为１０４－１０５?Ｌ?ｍｏＨ?ｓ？４８］，??所以在界面聚合过程中，完整的聚酰胺膜能够在几十秒内形成。由于胺分子在有??机溶剂和水两相中的分配系数较大，在水／有机相中的平衡浓度比为４００－１，而酰??氯在水中溶解度很小而且易水解，目前普遍认为聚合反应在有机相中发生［４７］。胺??单体一旦扩散至有机相就立即与酰氯反应，迅速形成初始分子交联网络；此时单??体仍然可以扩散穿过疏松的交联网络继续与另一种单体进行反应，于是聚酰胺网??络逐渐致密化、增厚；随着聚合物网络交联度提高，单体扩散受阻，聚合反应速??率明显下降；在反应后期，单体与膜表面链末端反应，缓慢地增加聚酰胺层的厚??
?第１章绪论???Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ??Ｃｏｎｅ．??６．????ｉｎ??ＲｅｌｏＵｖｅ?、?＾??ＵｎＨｃ?／Ｔ＊???［???［Ｖ???图１．?３界面聚合初期单体浓度分布示意图［４７］??Ａ：水中的胺单体，Ｂ：有机溶剂中的胺单体，Ｃ：有机溶剂中的酰氯，Ｐ：最初形成聚??合物层的位置??界面聚合对两相溶液中反应基团浓度没有严格的等当量要求，当胺分子扩散??至有机溶液中，总有足够的酰氯与之反应，而胺分子又源源不断扩散至有机相与??酰氯封端的聚合物或者新的酰氯反应；当反应区域中两种官能团等当量时，能够??形成交联度最高的网络结构。由于胺和酰氯的反应非常迅速，整个界面聚合反应??是扩散控制的，任何影响反应区域范围以及区域内官能团含量和比例的因素，都??会影响聚酰胺分子网络结构和分离层的形貌及厚度。这些因素包括胺和酰氯两者??的浓度及比例、溶剂种类、添加剂等等［４６］。对于给定体系（单体种类、衬底等），??需要优化这些制备条件，才能充分体现出聚合体系的特点和优势，制备出一张理??想的膜。??以界面聚合法制备的薄膜复合聚酰胺纳滤膜及反渗透膜具高通量、高选择性??的特点，而且制膜成本较低，操作步骤简单，所以在工业生产和实验室制备薄膜??复合纳滤膜的过程中，界面聚合法使用最为普遍。??１．３薄膜复合纳滤膜分离层结构的调控方法??薄膜复合纳滤膜的分离特性主要由分离层决定，包括分离层材料的化学性质??和结构参数。其中化学性质包括材料中的化学键和官能团等，化学键对膜的耐受??性如耐酸性、耐氯性产生影响；特殊的官能团能够在膜的分离过程中对目标物起??到特易性吸附或识别作用，这些都是纳滤膜研宄
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向饮用水制备过程的纳滤膜分离技术[J]. 王大新,王晓琳. 膜科学与技术. 2003(04)
本文编号：3138130
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．?１传统薄膜复合聚酰胺纳滤膜的横截面结构图丨１０丨??
完整的??聚酰胺薄膜。然而此中间层己经将膜的水通量降至２．６?Ｌ?ｎｒ２?ｈ－１?ｂａｆ１，不适用于??纳滤膜分离层的进一步构建。除此之外，为得到较致密的分离层，需要多次循环??沉积，水通量也会随之下降［４３］。??ＰＥＩＰＡＡ?一?ｎ?“叫?＿?“?鉀??ｆ獻?ｉ：丨?：：二－：；．暑，，?：丨？??Ｉ?Ｉ?ｎ??ｚ?⑴＇、?，仰，⑶．、??ｒ?ｒ?ｆ??顧癖纖丨?＇■、？?，??＇弋?！????—－？■？＂（６）????—??图１．２分子层层组装法制备聚酰胺分离层示意图Ｍ??（３）界面聚合法??１９５９年，Ｗｉｔｔｂｅｃｋｅｒ和Ｍｏｒｇａｎ提出了“界面缩聚”方法［４６４７１，他们将胺单??体和酰氯单体分别溶解在互不相容的水、油两相溶剂中，两者在两相界面附近相??遇并通过Ｓｃｈｏｔｔｅｎ－Ｂａｕｍａｎｎ反应进行缩合聚合，得到大分子质量的聚酸胺。胺与??酰氯的反应速率很高，如哌嗪和酰氯的反应速率常数ｋ为１０４－１０５?Ｌ?ｍｏＨ?ｓ？４８］，??所以在界面聚合过程中，完整的聚酰胺膜能够在几十秒内形成。由于胺分子在有??机溶剂和水两相中的分配系数较大，在水／有机相中的平衡浓度比为４００－１，而酰??氯在水中溶解度很小而且易水解，目前普遍认为聚合反应在有机相中发生［４７］。胺??单体一旦扩散至有机相就立即与酰氯反应，迅速形成初始分子交联网络；此时单??体仍然可以扩散穿过疏松的交联网络继续与另一种单体进行反应，于是聚酰胺网??络逐渐致密化、增厚；随着聚合物网络交联度提高，单体扩散受阻，聚合反应速??率明显下降；在反应后期，单体与膜表面链末端反应，缓慢地增加聚酰胺层的厚??
?第１章绪论???Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ??Ｃｏｎｅ．??６．????ｉｎ??ＲｅｌｏＵｖｅ?、?＾??ＵｎＨｃ?／Ｔ＊???［???［Ｖ???图１．?３界面聚合初期单体浓度分布示意图［４７］??Ａ：水中的胺单体，Ｂ：有机溶剂中的胺单体，Ｃ：有机溶剂中的酰氯，Ｐ：最初形成聚??合物层的位置??界面聚合对两相溶液中反应基团浓度没有严格的等当量要求，当胺分子扩散??至有机溶液中，总有足够的酰氯与之反应，而胺分子又源源不断扩散至有机相与??酰氯封端的聚合物或者新的酰氯反应；当反应区域中两种官能团等当量时，能够??形成交联度最高的网络结构。由于胺和酰氯的反应非常迅速，整个界面聚合反应??是扩散控制的，任何影响反应区域范围以及区域内官能团含量和比例的因素，都??会影响聚酰胺分子网络结构和分离层的形貌及厚度。这些因素包括胺和酰氯两者??的浓度及比例、溶剂种类、添加剂等等［４６］。对于给定体系（单体种类、衬底等），??需要优化这些制备条件，才能充分体现出聚合体系的特点和优势，制备出一张理??想的膜。??以界面聚合法制备的薄膜复合聚酰胺纳滤膜及反渗透膜具高通量、高选择性??的特点，而且制膜成本较低，操作步骤简单，所以在工业生产和实验室制备薄膜??复合纳滤膜的过程中，界面聚合法使用最为普遍。??１．３薄膜复合纳滤膜分离层结构的调控方法??薄膜复合纳滤膜的分离特性主要由分离层决定，包括分离层材料的化学性质??和结构参数。其中化学性质包括材料中的化学键和官能团等，化学键对膜的耐受??性如耐酸性、耐氯性产生影响；特殊的官能团能够在膜的分离过程中对目标物起??到特易性吸附或识别作用，这些都是纳滤膜研宄
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向饮用水制备过程的纳滤膜分离技术[J]. 王大新,王晓琳. 膜科学与技术. 2003(04)
本文编号：3138130
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