PPESK中空纤维复合纳滤膜及其应用基础研究

论文摘要

含二氮杂萘酮结构的聚芳醚砜酮（PPESK）是本研究组开发的新材料，具有较高的玻璃化转变温度，良好的溶解性、成膜性、机械性能和化学稳定性，是一类用于制备超滤膜和纳滤膜的新型材料。结合线性浊点关系（LCP），根据浊点滴定试验，通过三元相图研究了20℃下非溶剂添加剂（丁酮，乙二醇甲醚，一缩二乙二醇）对PPESK铸膜液体系的相分离行为。实验结果表明LCP关系可以用于描述PPESK／NMP／H2O和PPESK／NMP／NSA三元体系在相分离时的浊点组成，并根据LCP关系外推计算三元体系的双节线，由此可得铸膜液体系中非溶剂添加剂的上限含量，为PPESK铸膜液体系组成的构建提供了可靠的科学依据。根据LCP线性相关曲线以及计算得到的铸膜液体系的双节线的结果可以得出：线性回归的斜率b相同时，截距a的绝对值越大则非溶剂对聚合物溶液的凝胶能力越强。根据溶解度参数和相分离曲线，确定了非溶剂添加剂在20℃时的凝胶能力强弱顺序为：水>一缩二乙二醇>乙二醇甲醚>丁酮。以PPESK为膜材料，NMP为溶剂，水为凝胶剂，选用乙二醇甲醚（EGME）、一缩二乙二醇（DegOH）和丁酮（MEK）为非溶剂添加剂，系统研究了聚合物浓度、添加剂种类和含量对PPESK中空纤维超滤膜结构和性能的影响，制备了一系列具有不同孔径和通量的中空纤维超滤膜。以上述PPESK中空纤维超滤膜为底膜，通过哌嗪（PIP）与均苯三甲酰氯（TMC）的界面聚合反应制备了中空纤维聚哌嗪酰胺复合纳滤膜。研究了底膜结构对复合膜性能的影响，结果发现以对PEG2000的截留率为94．1％，纯水通量为200L／m2h的中空纤维超滤膜为底膜制备的复合纳滤膜性能最好。通过哌嗪（PIP）与均苯三甲酰氯（TMC）的界面聚合反应制备中空纤维复合纳滤膜，系统研究了界面聚合工艺条件，如水相浓度、水相浸渍时间、氮气吹扫时间、油相浓度、油相浸渍时间和水相中酸接受剂的含量对中空纤维复合纳滤膜性能的影响。在最佳界面聚合工艺条件下制备的中空纤维复合纳滤膜在室温、0．35MPa下对Na2SO4的截留率可达99％，纯水通量达54L／m2h。考察了操作条件（如操作压力，操作温度，进料液流速、进料液浓度等）对复合纳滤膜性能的影响。PPESK中空纤维复合纳滤膜具有较好的耐热稳定性。复合纳滤膜对无机盐的截留顺序为：Na2SO4>MgSO4>NaCl>MgCl2，这是由于聚哌嗪酰胺复合纳滤膜是一种典型的荷负电膜。复合纳滤膜对低分子有机物的截留率则随有机物分子量提高而增加。由渗透实验数据结合非平衡热力学模型计算了复合膜的特征参数，然后用细孔模型和TMS模型计算出了PIP、TMC和时间三个系列的中空纤维复合纳滤膜的结构参数和电荷密度。结果表明，单体PIP和TMC浓度是影响复合膜结构参数和电荷密度的重要因素，增加单体浓度，复合膜的孔径减小，膜厚和膜的电荷密度增加。界面聚合时间对复合膜孔径影响不大，随着反应时间的延长，膜的厚度和电荷密度增加。考察了中空纤维纳滤膜对不同浓度的NaCl溶液的分离性能，结果表明复合膜对NaCl的截留率和通量都随盐溶液的浓度增加而降低。所制备的中空纤维纳滤膜对阴离子染料活性艳蓝（KN-R）具有较好的分离性能和抗污染性能，在0．5MPa下运行200min，复合膜的通量在前60min稍有降低然后保持稳定，并且清洗后膜的通量可以部分恢复。考察了复合膜在染料脱盐精制中的应用，在室温、0．6MPa下膜的通量在45L／m2h左右波动，对活性艳蓝的截留率近100％。经过8个循环的恒容脱盐后，染料中的盐基本除净。在室温、0．6MPa下，考察了CMa，CMb和CMc三种复合纳滤膜对含有磷酸盐杂质的核苷酸的分离性能，膜CMc对核苷酸的截留率最高（达97．9％），同时膜的通量也较大（为27．5L／m2h），因此选用膜CMc作为核苷酸分离用复合纳滤膜。系统研究了操作压力、料液浓度、料液流速、料液PH值、运行时间等条件对膜分离性能的影响。结果表明，纳滤膜对核苷酸有很好的截留性能，对核苷酸母液中的无机盐杂质有一定的透过效果。膜对核苷酸和磷酸盐的截留率及膜的渗透通量随操作压力和进料流速的提高而上升，随进料浓度的上升而下降。在考察范围内，膜对无机磷的截留率随着料液PH值的降低而下降。在0．6MPa下，对核苷酸的截留率在95％以上，对无机磷的截留率在50％左右，在试验运行时间内膜性能基本稳定。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 膜分离技术概述
• 1.1.1 膜分离技术的发展
• 1.1.2 膜与膜分离过程
• 1.1.3 膜分离的特点
• 1.1.4 膜的分类
• 1.2 超滤膜
• 1.2.1 超滤技术发展
• 1.2.2 超滤膜材料
• 1.2.3 超滤膜制备
• 1.2.4 超滤膜性能
• 1.3 纳滤膜
• 1.3.1 纳滤膜及其发展简史
• 1.3.2 纳滤膜的制备技术
• 1.3.3 纳滤膜的分离机理
• 1.3.4 纳滤膜的应用
• 1.4 中空纤维膜的研究
• 1.4.1 中空纤维膜的特点
• 1.4.2 中空纤维膜的制备及性能影响因素
• 1.5 论文选题的目的、意义及研究内容
• 1.5.1 论文选题的目的及意义
• 1.5.2 论文的主要内容
• 2 中空纤维超滤膜的制备
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验材料与设备
• 2.1.2 三相图测定
• 2.1.3 溶解度参数的计算
• 2.1.4 双节点线的计算与经验公式
• 2.1.5 中空纤维超滤膜及组件的制备
• 2.1.6 超滤膜的评价
• 2.1.7 超滤膜的形态检测
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 膜材料与溶剂的选择
• 2.2.2 PPESK/NMP/NSA体系的相分离行为
• 2.2.3 PPESK/NMP/NSA体系双节线的计算
• 2.2.4 聚合物浓度对中空纤维膜结构和性能的影响
• 2.2.5 小分子添加剂对中空纤维膜结构和性能的影响
• 2.2.6 DegOH含量对中空纤维膜结构和性能的影响
• 2.2.7 EGME含量对中空纤维膜结构和性能的影响
• 2.2.8 操作温度对PPESK中空纤维超滤膜性能的影响
• 2.3 本章小结
• 3 中空纤维复合纳滤膜的制备
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验材料及设备
• 3.1.2 中空纤维复合纳滤膜的制备
• 3.1.3 膜性能评价
• 3.1.4 膜形态结构检测
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 底膜选择
• 3.2.2 界面聚合工艺条件的优化
• 3.2.3 操作压力对复合膜性能的影响
• 3.2.4 操作温度对复合膜性能的影响
• 3.2.5 进料液流速对膜性能的影响
• 3.2.6 盐溶液浓度对复合膜性能的影响
• 3.2.7 中空纤维膜界面聚合前后的性能对比
• 3.2.8 复合纳滤膜的运行稳定性试验
• 3.2.9 中空纤维膜的表面形貌
• 3.2.10 中空纤维纳滤膜与商品化纳滤膜的性能对比
• 3.3 本章小结
• 4 中空纤维纳滤膜孔径结构参数的计算
• 4.1 理论
• 4.1.1 浓差极化模型
• 4.1.2 非平衡热力学模型
• 4.1.3 细孔模型
• 4.1.4 TMS模型
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试验试剂与设备
• 4.2.2 中空纤维纳滤膜的制备
• 4.2.3 复合膜性能评价
• 4.2.4 过程与方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 哌嗪浓度对膜结构参数和电荷密度的影响
• 4.3.2 均苯三甲酰氯浓度对膜结构参数和电荷密度的影响
• 4.3.3 反应时间对膜结构参数和电荷密度的影响
• 4.4 本章小结
• 5 中空纤维复合纳滤膜在染料脱盐中的应用
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 纳滤膜在染料脱盐中的应用
• 5.1.2 试验材料和设备
• 5.1.3 分析方法
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 标准曲线的绘制
• 5.2.2 中空纤维纳滤膜的选择
• 5.2.3 中空纤维纳滤膜对染料的分离性能
• 5.2.4 操作压力对纯水通量的影响
• 5.2.5 操作压力对NaCl溶液分离性能的影响
• 5.2.6 染料浓度对膜分离性能的影响
• 5.2.7 盐浓度对膜分离性能的影响
• 5.2.8 操作时间对膜分离性能的影响
• 5.2.9 中空纤维纳滤膜的染料脱盐试验
• 5.3 本章小结
• 6 中空纤维纳滤膜在核苷酸分离提纯中的应用
• 6.1 实验部分
• 6.1.1 试验原料及设备
• 6.1.2 膜性能评价
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 标准曲线的绘制
• 6.2.2 中空纤维纳滤膜分离性能的比较
• 6.2.3 操作压力对膜性能的影响
• 6.2.4 料液浓度对膜性能的影响
• 6.2.5 料液流速对膜性能的影响
• 6.2.6 料液PH值对膜性能的影响
• 6.2.7 复合纳滤膜的短期运行试验及膜的清洗
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 注释说明清单
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢