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基于木质纤维素衍生物的正渗透膜的制备及性能研究

耿欣  
【摘要】:木质纤维素材料是一类具有较高潜在应用价值的天然高分子材料,它可以替代部分合成高分子材料,降低对环境的负担和化石资源的消耗。木基生物质作为生物质的重要组成成分之一,其主要由纤维素,半纤维素和木质素构成。基于木质纤维素衍生物为原料研制正渗透分离膜,不仅可以保护环境、净化水资源,而且将生物质高值化利用以达到降低成本的目的。正渗透技术是一种新型的渗透压驱动膜分离技术,相较传统的压力驱动膜分离技术,其能耗更低且具有较强的抗污染性能,因而在水处理、食品加工、生物医药等诸多领域被广泛运用。开发新型膜材料和制膜工艺对进一步提升正渗透的工业应用极具意义。本研究提出分别利用木质素和纤维素的衍生物,即木质素磺酸钠(SL)和三醋酸纤维素(CTA),制备新型的聚乙烯亚胺/木质素磺酸钠正渗透膜和表面图案化三醋酸纤维素正渗透膜,并进一步对所制备的正渗透膜进行优化以提高其分离性能。本论文的主要研究结果如下:(1)以木质素磺酸钠和聚乙烯亚胺(PEI)分别作为聚阴离子和聚阳离子电解质,通过静电层层自组装制膜法制备多层PEI/SL正渗透膜。正渗透性能测试发现组装层数为2层的PEI/SL膜分离效果最优,其水通量为4.4 LMH,反向盐通量为4.02 g MH。(2)进一步利用碳纳米管(CNTs)的微孔通道,通过将CNTs分别或同时分散于PEI或SL溶液中,制备一系列CNTs改性PEI/SL正渗透膜,并探究CNTs对PEI/SL正渗透膜结构及性能的影响。CNTs可提高PEI/SL膜的水通量,且当CNTs分散于SL聚电解质溶液、浓度为0.075 g/L时所得改性膜分离效果最优,水通量提升至7.32LMH,反向盐通量为3.56 g MH,并表现出良好的抗污染能力。(3)以CTA为膜材料,利用具有图案的模具通过浸没相转化法制备表面图案化(Y形和X形图案)CTA正渗透膜,研究表面图案对膜结构和性能的影响。相较于无图案的平面CTA膜,图案化CTA膜的水通量明显提高,且X形图案的膜分离效果最优,其水通量为53.16 LMH,反向盐通量为0.46 g MH(AL-FS模式)。(4)为了进一步提升CTA膜分离性能,利用对硝基苯酚(PNP)作为增塑剂对CTA膜进行改性。PNP改性可提高水通量但降低反向盐通量,其水通量大小为:Flat-modified(32.38 LMH)Y-modified(40.62 LMH)X-modified(58.56 LMH),反向盐通量大小为:Flat-modified(0.2 g MH)X-modified(0.27 g MH)Y-modified(0.48 g MH)。因此,PNP处理后的X形图案膜的选择性最佳。


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