收藏本站
《东华大学》 2017年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

聚丙烯腈纳米纤维基复合滤膜的构筑及性能

杨寅  
【摘要】:淡水资源短缺已成为当今世界的重要问题,人们为此开发了一系列膜分离技术用于处理一些无法使用的水资源,以便将有限的水资源循环使用于工业生产和日常生活。随着膜分离技术的发展,膜分离材料的应用开发备受研究者们的关注,由于功能膜材料固有的一些特性差异,例如亲水性和耐有机溶剂性,使其在应用中存在一定的局限性。为此人们设计了具有三层结构的复合分离膜,由底层的机械支撑层,中间层的多孔基膜和表面超薄的功能阻隔层组成,既可以选取不同的功能材料作为表面功能层和基膜材料,又可以采用多种制膜工艺调整分离膜的整体性能以满足其对机械强度和过滤性能的需求。近年来,随着对纳米技术的不断深入研究,用静电纺纳米纤维膜来代替传统复合膜中的用相转化法制备的非均相膜,将其作为多孔基膜,可以显著改善复合膜的渗透性,主要是由于纳米纤维基膜具有高孔隙率(80%)、相互连通的亚微米孔隙结构、轻质轻量等特点,故纳米纤维基复合滤膜已被广泛用于水处理相关领域。在纳米纤维基复合膜的制备过程中,若采用传统的浸渍涂覆法制备功能阻隔层,由于纳米纤维膜表面较大的孔径和较高的孔隙率,铸膜液会出现“下渗”现象。虽然可采用浸泡凝固浴、溶液垂溶、热压垂溶、界面聚合等方法制备功能阻隔层,但是为了使复合膜的功能阻隔层和纳米纤维基膜更好地结合在一起,本论文提出构建三层结构纳米纤维基复合膜,即在纳米纤维基膜和功能皮层之间引入凝胶过渡层,在纳米纤维膜表面覆盖凝胶过渡层不仅可以减小基膜表面的孔隙直径,还可以对纤维膜表面进行功能改性,引入活性官能团。与此同时,凝胶过渡层还将与下层纳米纤维和上层功能阻隔层形成有效的链接,从而提高复合膜的整体性能,例如力学性能、过滤性能和稳定性等。在此以聚丙烯腈(polyacrylonitrile,PAN)纳米纤维多孔膜为基膜,以卡波普(carbopol,CP)、聚(丙烯腈-co-丙烯酸)(poly(acrylonitrile-co-acrylic acid,PAN-AA)等亲水材料,分别采用凝胶涂覆、静电纺丝和溶液垂溶的方式获得凝胶过渡层,以界面聚合和离子交联的方式制备超薄亲水功能阻隔层,分析凝胶过渡层与上下层之间的链接关系及其对过滤性能和稳定性的影响。本文系统研究了界面聚合工艺以及垂溶成膜条件,实现对功能皮层形态结构的调控,并比较了常规纳米纤维基复合膜和引入中间过渡层的纳米纤维基复合膜对不同盐溶液和不同蛋白质溶液的分离过滤性能。研究内容包括:1、通过涂覆卡波普水凝胶(CP974)改性PAN纳米纤维基膜,再以哌嗪(piperazine,PIP)和1,3,5-苯三甲酰氯(Trimesoyl chloride,TMC)分别为水相单体和有机相单体,采用界面聚合法制备得到一种功能阻隔层为聚哌嗪酰胺(polypiperazine-amide,PPA)的纳米纤维基复合纳滤膜(PAN/CP/PPA)。傅里叶红外光谱表明CP水凝胶中的羧基(—COOH)与PAN纳米纤维层的氰基(—CN)形成氢键,同时与水相单体PIP上的仲胺基团(—NH—)形成羧酸铵盐离子键(—COONH_2~+),使得复合纳滤膜各层之间相互作用增强。分别以PAN纳米纤维膜和卡波普改性后的PAN/CP纳米纤维膜为基膜,采用相同界面聚合工艺制备PAN/PPA和PAN/CP/PPA复合滤膜,其力学性能测试表明,CP水凝胶的引入将PAN纳米纤维基膜与PPA功能阻隔层之间有效粘合在一起,实现了复合膜结构的一体性,整体的断裂强度提高了124.8%,断裂伸长率增加了22.6%。对比两种复合膜的盐水过滤性能,PAN/CP/PPA复合膜对二价硫酸盐(MgSO_4,Na_2SO_4)的截留效果与PAN/PPA复合膜一致,对硝酸盐类和MgCl_2的截留效果明显优于PAN/PPA复合膜,主要是由于CP水凝胶层中含有大量的羧基,增强了PAN/CP/PPA复合纳滤膜的荷负电性。同时,CP水凝胶的亲水性使得PAN/CP/PPA复合膜对不同盐溶液的平均过滤水通量(20.3 L/m~2h)与PAN/PPA复合膜的平均过滤水通量(20.9 L/m~2h)相比,基本保持不变。2、以静电纺丝法制备的聚(丙烯腈-co-丙烯酸)/聚丙烯腈(PAN-AA/PAN)双层纳米纤维膜为基膜,通过溶液垂溶和离子交联工艺制得PAN-AA/PAN纳米纤维复合超滤膜。即在较厚的PAN纳米纤维膜表面沉积一层较细的PAN-AA纳米纤维,将所制得的PAN-AA/PAN双层纳米纤维浸泡在碱性的缓冲溶液中进行溶液垂溶,使其表层的PAN-AA纳米纤维逐渐溶胀形成一层无孔的PAN-AA-Na水凝胶层覆盖在PAN纳米纤维基膜表面。再用经二价金属阳离子(Ca~(2+)或Mg~(2+))溶液交联PAN-AA水凝胶层,金属阳离子交联的PAN-AA功能阻隔层的厚度及其表面孔隙结构可以通过调整PAN-AA纳米纤维的沉积时间、缓冲溶液pH值和溶液垂溶的时间来控制。不同分子量的蛋白质溶液被用来测试PAN-AA系列复合超滤膜的过滤性能、截留分子量和pH值稳定性。由于功能阻隔层的亲水性及其表面荷负电性,PAN-AA-Ca和PAN-AA-Mg纳米纤维复合超滤膜对牛血清蛋白(BSA)水溶液(1 g/L)具有良好的过滤性能(滤液通量分别为219.2 L/m~2h和221.2 L/m~2h,截留率分别为95.6%和97.8%,操作压力为0.3 MPa)。根据其截留分子量(43.5-47.3 kDa)可知,PAN-AA纳米纤维基复合滤膜可以截留溶液中半径大于4.6 nm的溶质。3、以静电纺丝法制备PAN-AA/PAN双层纳米纤维膜,较厚的PAN纳米纤维为基膜,超薄的PAN-AA纳米纤维层为中间过渡层,分别以PIP和TMC为水相和有机相单体,采用界面聚合法在PAN-AA/PAN双层纳米纤维膜表面制备得到聚哌嗪酰胺(PPA)功能阻隔层,得到PPA-PAN-AA/PAN纳米纤维基复合纳滤膜。由于PAN-AA纳米纤维层在碱性的水相单体溶液(PIP)中可溶胀形成水凝胶过渡层,一方面可覆盖PAN纳米纤维基膜表面大部分的亚微米级的孔隙,减小表面孔隙的大小;另一方面,亲水的PAN-AA水凝胶层可以吸附和负载大量的水相单体PIP,在与TMC溶液发生界面聚合反应时,可获得具有耐久性的超薄PPA功能阻隔层。力学性能证明了所制备的复合膜的整体性,同时表现出良好的过滤性能,在对MgSO_4水溶液(2.0 g/L)的过滤性能测试过程中,截留率达到98.2%,滤液通量达到64.4 L/m~2h,由于PAN-AA中间过渡层强化了功能阻隔层和纳米纤维基膜之间的相互作用力,使得复合滤膜具有良好的结构稳定性。上述系列研究表明,通过在纳米纤维基膜和功能皮层之间引入一层凝胶过渡层,可以有效负载水相单体,使界面聚合工艺制得的功能阻隔层具有优异的过滤性能,同时改善了纳米纤维基膜与功能阻隔层之间的连接,提高了复合滤膜的结构稳定性。在引入中间过渡层时,采用纳米纤维垂溶技术将p H敏感的共聚物材料转化为水凝胶过渡层,具有普适性,流程操作简单,条件温和,可控性强。不仅可在纳米纤维基膜表面沉积功能聚合物材料,还可有效避免水凝胶过渡层在改性基膜的过程中,向多孔纳米纤维基膜渗漏和涂层厚度控制难的问题,通过纳米纤维垂溶工艺条件的优化实现功能选择层微结构精密调控,制备出具有不同筛分尺寸纳米纤维基复合超/纳滤膜应用于不同的水处理过程。
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TQ051.893

【相似文献】
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 杨寅;聚丙烯腈纳米纤维基复合滤膜的构筑及性能[D];东华大学;2017年
2 黎作鹏;体域纳米网络关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2014年
3 王莹;纳米通道单分子分析新体系的研究及应用[D];西北大学;2017年
4 张世超;超细纳米蛛网材料的成型机理及高效空气过滤应用研究[D];东华大学;2017年
5 张正飞;一维氧化钨纳米材料无催化剂生长的原位透射电镜研究[D];浙江大学;2017年
6 刘敬东;铜纳米颗粒合成及其低温烧结互连行为研究[D];哈尔滨工业大学;2017年
7 秦毓辰;铂/金基新型纳米结构催化剂的水热和微波合成及电催化性能研究[D];中国石油大学(北京);2016年
8 汪煜;硅锗薄膜制备及纳米结构演化研究[D];南京大学;2017年
9 李军帅;Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的掺杂制备及其在光探测器中的应用研究[D];北京邮电大学;2016年
10 谷志远;基于纳米线的光学微腔和纳米激光器[D];哈尔滨工业大学;2016年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 杨秀娟;金纳米簇的合成与性质的研究[D];长春理工大学;2017年
2 孙怡文;铜锌锡硫纳米结构的制备、相变与光电性能研究[D];合肥工业大学;2017年
3 朱笑天;金纳米棒的制备与修饰及其在环境污染物检测中的应用[D];郑州大学;2017年
4 任雪利;纳米气泡对污染物的吸附及其影响因素探究[D];上海师范大学;2017年
5 孙彦文;基于材料堆积效应的周期纳米结构加工机理及实验研究[D];哈尔滨工业大学;2017年
6 张弘;金属-ZnO纳米棒异质结构的表面增强拉曼效应研究[D];哈尔滨工业大学;2017年
7 杨阳;多级中空纳米纤维负载型催化剂的设计合成及其催化性能研究[D];东北师范大学;2017年
8 智星;钯纳米酶的合成及其在检测含硫物质中的应用[D];天津大学;2016年
9 袁丽;溶液分散体系中纳米颗粒形态与表面状态的原位测量[D];西华大学;2017年
10 刘晓慧;硅表面纳米结构设计与计算[D];青岛大学;2017年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026