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丝胶复合纳滤膜的制备与分离性能研究

陈智文  
【摘要】:复合纳滤膜在纳滤膜领域占有十分重要的地位。与非对称纳滤膜相比,复合纳滤膜具有渗透通量高,选择分离性能优等优点,是目前纳滤膜领域的主流产品。但是,随着纳滤膜技术应用领域的不断拓宽,尤其是工业过程中需要分离的物质体系越来越复杂,对纳滤膜的选择分离性能和性能稳定性提出了更高的要求。因而,从膜材料和制备技术入手,研制高性能复合纳滤膜是目前纳滤膜研究领域的热点之一。 本论文采用界面聚合方法,以聚砜多孔膜为基膜,通过天然功能高分子材料丝胶(SS)与均苯三甲酰氯(TMC)之间的反应,制备得到SS复合纳滤膜。采用傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)、场发射扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、Zeta电位仪、接触角测定仪等仪器对SS复合纳滤膜的微结构进行了表征;从反应物浓度、反应时间、热处理工艺、水相添加剂、水相pH等工艺参数入手,研究了SS复合膜的制备工艺,并获得了SS复合纳滤膜最佳成膜条件;采用错流渗透试验,系统研究了所制备的SS复合纳滤膜的截留分子量、渗透通量以及对不同无机盐和染料水溶液的分离特性;最后,以牛血清蛋白(BSA)、海藻酸钠(SA)、十二烷基硫酸钠(SDS)和腐植酸(HA)作为污染物,研究了SS复合膜的抗污染性能,并与商业膜复合纳滤膜NF90与NF270进行了比对。得到以下结论: (1)ATR-FTIR分析表明,通过SS与TMC的界面聚合反应,可成功在聚砜多孔膜表面生成一活性分离层。膜表面形貌分析表明,所制备的SS复合膜的活性分离层的厚度约为0.2μm,分离皮层表面较光滑,粗糙度(RMS)为12.8nm。Zeta电位测定表明,SS复合纳滤膜表面为两性表面,等电点在pH3.84,在pH3.84时,膜表面显负电性。 (2)随着反应物浓度和反应时间的增加,复合膜对无机盐的截留率上升,渗透通量下降。热处理时间和温度的增加使膜的截留率先上升后下降。水相中表面活性剂SDS的加入可提高膜的截留率,但过多的表面活性剂将导致膜截留性能下降。同时,膜的分离性能还受水相pH的影响。综合考虑膜性能,SS复合纳滤膜的最佳成膜工艺条件如下:SS=0.5w/v%,十二烷基硫酸钠(SDS)=0.001w/v%,pH=10.00,TMC=0.037w/v%,反应时间=50s,热处理温度=60℃,热处理时间=15min。所制备的SS复合纳滤膜的截留分子量约为1500g/mol,平均孔径约为2.40nm,在0.5MPa、25℃及pH=6.8下,对500mg/lNa2SO4溶液的截留率为89.8%,渗透通量为69.5l/m2h。 (3)SS复合纳滤膜膜对不同无机盐的截留率的顺序为:MgCl2(6.1%)CaCl2(6.4%)MgSO4(21.9%)NaCl(24.7%)Na2SO4(88.2%),且随着无机盐浓度的增加,截留率下降,为典型的荷负电高分子纳滤膜的分离特性。当操作压力在0.3-0.7MPa范围内,随着压力的增加,渗透通量成线性增加趋势,截留率逐渐下降。SS复合纳滤膜可有效去除水中的刚果红、甲基蓝、日落黄等阴离子染料,且体现较好的耐污染性能;膜对染料的截留率随水溶液中染料浓度和无机盐含量的增加而下降,在0.5MPa、染料水溶液浓度为100mg/l下,膜对刚果红、甲基蓝、日落黄的截留率分别为99.7%、96.4%、93.9%。(4)研制的SS复合纳滤膜对不同污染物呈现不同的抗污染特性:在0.5MPa 下,对含100mg/l污染物和500mg/lNa2SO4的物料,连续运行24小时发现,对BSA水溶液的膜通量持续下降,并降到初始通量的64.6%;对HA水溶液,膜通量先升后降,最后通量变为初始通量的84.9%;对SA水溶液,膜通量仅下降5.3%;而对SDS水溶液,膜通量则上升5.9%。与商用复合纳滤膜相比,研制的SS复合纳滤膜抗BSA污染性能优于NF90,而抗SA的污染性能优于NF270。


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