基于配位作用的层层自组装纳滤膜的制备及性能研究

【摘要】：纳滤膜的制备以界面聚合和相转化法为主。层层自组装是近年来发展的一种新型的膜制备方法，在制备荷电膜方面有很好的应用前景。但多数聚电解质以水溶液的形式进行自组装，且静电力通常比较弱，所采用的亲水性膜材料在水中长时间使用时易发生溶胀，截留效果降低。因此，研究基于其它相互作用为推动力的聚电解质自组装多层薄膜制备和性能表征及作用机理，具有重要的理论意义与实际应用价值。 除了依靠静电相互作用来构筑多层超薄膜体系外，其它的相互作用，如氢键、配位作用、化学交联等也可用来作为成膜的推动力。金属配位作用是一种比静电力更稳定的力，可作为一种成膜驱动力来构建多层膜。 本文利用聚电解质官能团和过渡金属之间的配位作用制备多层膜，在多孔超滤膜上交替沉积PSS（Cu）_(1/2)和P4VP，制备荷负电纳滤膜，考察膜的分离性能，并测试膜的稳定性。考察了静态与动态两种不同的制膜方式并进行了对比。采用原子力显微镜（AFM）、扫描电镜（SEM）、接触角等方式对多层膜的表面性能进行了表征。 对静态层层自组装膜制备的研究，得出了此方法制备多层膜的最优条件：首层沉积PSS(Cu)_(1/2)，0.4%的PSS水溶液，其中加入0.25mol.L~(-1)CuCl_2溶液；0.2%的P4VP乙醇溶液；每层沉积时间15min。4.5个双层的自组装膜对二价离子的截留率到达85%左右，1.0MPa下通量大约为60L.m~(-2).h~(-1)。对一价离子的截留率仅为20%，1.0MPa下通量大约为85L.m~(-2).h~(-1)，因此可用于一价和二价离子的分离。SEM照片显示自组装多层膜孔已经基本上被覆盖，且膜表面比较均匀；AFM分析表明，粗糙度随着层数的增加逐渐增大。膜的接触角随着层数的增加而下降，说明随着自组装的进行，膜的亲水性越来越好，抗污染能力提高。稳定性考察结果表明，基于配位作用的多层膜的稳定性优于基于静电作用制备的多层膜。 对动态层层自组装膜制备的研究结果表明，在较少层数时便可达到较好的截留效果，动态法3.5个双层时已优于静态法4.5双层的结果，说明动态法在层层自组装过程中具有一定优势。自组装多层膜的截留率随着层数的增加先增大后减小，当层数为3.5时达到最大值。所制备的复合纳滤膜(PSS(Cu)_(1/2)/P4VP)_3/PSS(Cu)_(1/2)在1.0MPa下对Na_2SO_4的截留率为88%，溶液通量为43L.m~(-2).h~(-1)，对NaCl的截留率为23%，溶液通量为74L.m~(-2).h~(-1)。SEM照片表明，经过几个双层的沉积之后，PS基膜上的圆孔消失，聚电解质均匀覆盖在基膜表面，使多层膜的形貌发生改变。适当的加热温度可以提高膜的截留率，但过高的温度时则会破坏膜的结构，降低膜的截留率。自组装纳滤膜经过连续测试2周后，(PSS(Cu)_(1/2)/P4VP)_3/PSS(Cu)_(1/2)NF膜对Na_2SO_4以及NaCl的截留率及通量均保持稳定，没有出现大的波动，说明基于配位作用所制备的纳滤膜具有较好的稳定性。