低压荷电纳滤膜的结构控制及性能研究

论文摘要

纳滤是一种以压力为推动力介于反渗透与超滤之间的膜过程，早期被称为“疏松反渗透”，目前被广泛应用于硬水软化、有机小分子分离、废水处理、食品工业等领域。针对目前纳滤膜操作压力普遍较高的问题，本课题通过选择合适的单体分别采用界面聚合、动态自组装、紫外接枝等方法在聚砜或聚丙烯腈超滤膜表面构建一层超薄的聚电解质分离层制备得到低压纳滤膜。以聚砜超滤膜为基膜，2，5-二胺基苯磺酸、均苯三甲酰氯为反应物，采用界面聚合法制备纳滤膜。结果表明，由于磺酸基团的空间位阻作用，减慢了界面反应速率，所得纳滤膜表层呈现疏松多孔结构。FTIR-ATR、XPS元素分析结果证实了表层聚酰胺的存在。随着水相或油相反应单体浓度的增加，纳滤膜的脱盐率呈现先增加后降低的趋势，通量的变化规律正好相反。在本实验范围内，酸吸收剂NaOH的加入有利于界面聚合反应的进行；延长反应时间，Na2SO4的脱除率先上升后下降，而通量则先下降后上升。当2，5-二胺基苯磺酸、均苯三甲酰氯的浓度均为0．5％时，二次反应后制备的纳滤膜脱盐率增大，对Na2SO4的脱除率由一次反应的54．4％增加为60．4％，该纳滤膜在操作压力为0．4MPa时，溶液通量为59．7 L／m2．h。考察了不同操作压力下、不同盐浓度时膜的分离性能。结果表明，当操作压力不同时，本实验中所得纳滤膜的分离性能变化有两种情况，一种是随着压力的增大，脱盐率基本不变，而另一种则是随着压力的增大，脱盐率明显下降。随着盐浓度的增加，溶液中反离子的浓度随之增大，它们在静电力作用下大量中和膜表面电荷，使膜表面有效电荷密度降低，对同离子的排斥力减弱，从而导致了膜脱盐率的下降。该系列纳滤膜脱盐率较低，有可能在染料脱盐中使用。通过发散法合成了以N-（2-胺乙基）哌嗪为核的端胺基树状聚合物PAMAM，并以此为水相单体与均苯三甲酰氯发生界面聚合反应制备了高脱盐率的纳滤膜。FTIR-ATR、XPS元素分析结果证实了表层聚酰胺的存在。SEM照片显示该纳滤膜的表面形貌与2，5-二胺基苯磺酸制备的纳滤膜形貌明显不同，该膜表面由许多粒状颗粒紧密堆积而成；AFM分析结果表明，聚砜膜表面覆盖有聚酰胺后，粗糙度明显增大。考察了PAMAM代数、浓度、反应时间等因素对膜性能的影响。发现使用浓度相同而代数不同的PAMAM制备纳滤膜时，由于端胺基数目随代数的增加而增多，所以随着代数的增加，膜的交联度增大，脱盐率上升，通量下降。通过改变PAMAM的浓度可以非常方便地调节膜的结构及分离性能，随着PAMAM浓度的增加膜的脱盐率增大，同时对不同盐的脱除率逐渐趋于一致。例如第二代PAMAM即NG2的浓度为2．79×10-4mol／L时，Na2SO4、MgCl2、MgSO4的脱除率分别为31．0％，30．2％和38．9％，当NG2浓度增加到1．12×10-3mol／L时，三者的脱除率分别为75．7％,87．1和80．7％，当NG2浓度继续增加到4．46×10-3mol／L时，三者的脱除率非常接近，分别为93．0％，92．3％和91．4％。随着反应时间的延长，膜的脱盐率提高，通量下降，当反应时间增长后三种盐脱除率之间的差异减小。操作压力增加，通量有所增大，但脱盐率基本不变。随着盐浓度的增加，NF-NG2-8膜的脱盐率及通量变化不大。与界面聚合相比，层层自组装是一种绿色环保的纳滤膜制备方法，驱动力主要为静电力、氢键、范德华力、疏水力作用等，目前该方法的主要缺点是效率较低。本实验以聚苯乙烯磺酸钠-马来酸共聚物（PSSMA）、聚苯乙烯磺酸钠（PSS）、聚烯丙胺盐酸盐（PAH）为原料，碱改性的PAN超滤膜为基膜，采用动态自组装的方法在低组装层数时制备了低压高通量荷电纳滤膜。组装双层数为2个双层[PAH／PSS]1PAH／PSSMA纳滤膜为荷负电纳滤膜，当操作压力为0．2 MPa时，对Na2SO4的脱除率为91．4％，通量为28．6 L／m2h；当操作压力增加到0．8 MPa后通量达到106．6 L／m2h，而且Na2SO4的脱除率没有明显变化。组装双层数为2．5的[PAH／PSS]1PAH／PSSMA／PAH纳滤膜为荷正电纳滤膜，当操作压力为0．2 MPa时，对MgCl2的脱除率为90．4％，通量为23．8 L／m2．h；当操作压力增加到0．8 MPa后，通量增大到83．8 L／m2．h，对MgCl2的脱除率为91．0％，通量远大于目前商品化产品。实验中系统地考察了组装方式、基膜、组装溶液pH值、聚电解质浓度、SS／MA比例、组装层数、聚电解质种类等因素对膜性能的影响。结果如下：动态自组装制备的纳滤膜比静态自组装制备的纳滤膜性能更好。为增强聚电解质与基膜的结合，首先对PAN基膜进行碱处理，实验中发现PAN水解过度会造成表层膜的机械性能下降，产生剥落。本实验中较佳碱改性条件为：NaOH1．5M，碱改性温度为45℃，时间为1．5h。红外分析结果证实PAN膜已部分发生水解。以碱改性膜为基膜制备的纳滤膜脱盐率比未改性膜为基膜制备的纳滤膜高。PSSMA中的弱电离基团羧酸是电荷的潜在贡献者，通过组装溶液pH值的调节，膜结构及性能发生变化。此外，使用SS／MA比例为3：1的PSSMA膜性能优于SS／MA比例为1：1的PSSMA制备的膜；当组装双层数大于2时，随着组装双层数的增加，通量减小，但脱盐率变化不大；通过改变表层物质的种类可方便地制备荷正电或荷负电的纳滤膜。当PAH为最外层时呈现荷正电特征，对NaGl等四种盐的脱除顺序为MgCl2>MgSO4>Na2SO4≈NaGl。将其用于CuCl2的脱除时，效果良好，对500 mg／L-2000 mg／L的CuCl2的脱除率能够稳定在88％左右。以甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵为反应单体采用紫外直接辐照接枝聚合可以非常便捷地制备得到低压荷正电纳滤膜。与上述界面聚合、层层自组装相比，表面活性层与支撑层之间以化学键连接，有利于提高膜的稳定性。红外及XPS分析证实了表面聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的存在。当单体浓度为1．5 M，辐照时间仅为5min时，就可制备得到具有良好分离性能的纳滤膜。操作压力为0．2 MPa时，对1000 mg／LMgCl2脱除率为94．8％，通量为20．3 L／m2．h。通过调整单体浓度、辐照时间、辐照距离等条件，调节接枝率，可得到性能不同的纳滤膜。当单体浓度增大时，接枝率和脱盐率都先是增大后趋于不变；溶液通量呈现逐渐下降的趋势。延长辐照时间具有类似规律。本实验范围内，随着辐照距离的增加，接枝率下降，盐脱除率下降，而通量随之上升。对于MgCl2脱除率大的纳滤膜一般随着压力的增大，脱盐率基本不变，通量增大。该纳滤膜对不同盐的脱除顺序为MgCl2>NaCl>MgSO4（?）Na2SO4，呈现明显的荷正电特征，对MgCl2的脱除率高，而MgSO4的脱除率低，适合SO42-离子含量低的硬水软化中使用。此外，季铵盐在表面的聚合赋予膜良好的亲水性，同时由于季铵盐具有抑菌及杀菌的作用，因此初步实验结果表明膜的抗污染性能较好，室温下放置25天后，接枝有季铵盐的纳滤膜与原基膜相比，污染物明显减少。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 纳滤膜概述
• 1.2 纳滤分离机理
• 1.2.1 非平衡热力学模型
• 1.2.2 溶解-扩散及不完全溶解-扩散模型
• 1.2.3 摩擦模型
• 1.2.4 细孔模型
• 1.2.5 空间电荷模型
• 1.2.6 固定电荷模型
• 1.2.7 静电位阻模型
• 1.3 高分子复合纳滤膜的制备方法
• 1.3.1 表面涂覆
• 1.3.2 界面聚合与界面缩合
• 1.3.3 层层自组装
• 1.3.4 表面接枝聚合
• 1.4 纳滤膜主要产品的性能
• 1.5 纳滤膜的应用
• 1.5.1 水处理方面的应用
• 1.5.2 食品工业方面的应用
• 1.5.3 生物化学和制药方面的应用
• 1.5.4 石油开采与提炼方面的应用
• 第二章 课题的提出、研究思路与研究内容
• 2.1 课题的提出和意义
• 2.2 研究思路与方案
• 2.3 本论文的研究内容
• 2.3.1 2，5-二胺基苯磺酸与均苯三甲酰氯界面聚合制备低压荷负电纳滤膜
• 2.3.2 PAMAM与均苯三甲酰氯界面聚合制备高脱盐荷电纳滤膜
• 2.3.3 PSSMA、PSS、RAH动态自组装制备低压荷电纳滤膜
• 2.3.4 紫外接枝聚合制备低压荷正电聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵纳滤膜
• 第三章 2，5-二胺基苯磺酸与均苯三甲酰氯界面聚合制低压荷负电纳滤膜
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要原料及试剂
• 3.2.2 界面聚合制备聚酰胺纳滤膜
• 3.2.3 纳滤膜的结构及性能表征
• 3.2.3.1 FTIR-ATR红外全反射分析
• 3.2.3.2 XPS元素分析
• 3.2.3.3 SEM分析
• 3.2.3.4 纳滤分离性能
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 FTIR-ART
• 3.3.2 XPS元素分析
• 3.3.3 SEM分析
• 3.3.4 反应条件与膜性能之间的关系
• 3.3.4.1 晾置时间的影响
• 3.3.4.2 溶液pH值的影响
• 3.3.4.3 均苯三甲酰氯浓度的影响
• 3.3.4.4 2，5-二胺基苯磺酸浓度的影响
• 3.3.4.5 反应时间的影响
• 3.3.4.6 反应次数的影响
• 3.3.5 对不同盐的脱除性能
• 3.3.6 操作压力的影响
• 3.3.7 盐浓度的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 PAMAM与均苯三甲酰氯界面聚合制备高脱盐荷电纳滤膜
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 主要原料及试剂
• 4.2.2 N-（2-胺乙基）哌嗪为核的PAMAM的合成
• 4.2.3 界面聚合制备聚酰胺纳滤膜
• 4.2.4 PAMAM表征
• 4.2.4.1 红外分析
• 4.2.4.2 核磁分析
• 4.2.5 纳滤膜的结构及性能表征
• 4.2.5.1 FTIR-ATR红外分析
• 4.2.5.2 XPS元素分析
• 4.2.5.3 SEM分析
• 4.2.5.4 AFM表面形貌分析
• 4.2.5.5 接触角测定
• 4.2.5.6 纳滤分离性能
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 PAMAM的表征
• 4.3.1.1 红外分析
• 4.3.1.2 核磁分析
• 4.3.2 PAMAM纳滤膜的结构与性能
• 4.3.2.1 FTIR-ATR红外分析
• 4.3.2.2 XPS元素分析
• 4.3.2.3 SEM及AFM分析
• 4.3.2.4 接触角
• 4.3.2.5 反应条件对纳滤膜性能的影响
• 4.3.2.6 操作压力的影响
• 4.3.2.7 盐浓度的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 PSSMA，PAH，PSS动态自组装制备低压荷电纳滤膜
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 主要原料、试剂及主要仪器
• 5.2.2 自组装过程
• 5.2.3 纳滤膜结构及性能的表征
• 5.2.3.1 FTIR-ATR红外分析
• 5.2.3.2 SEM分析
• 5.2.3.3 AFM表面形貌分析
• 5.2.3.4 接触角测定
• 5.2.3.5 纳滤分离性能
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 基膜的影响
• 5.3.1.1 碱改性原理
• 5.3.1.2 改性条件对基膜性能的影响
• 5.3.1.3 基膜改性前后对组装膜性能的影响
• 5.3.2 动、静态自组装效果对比
• 5.3.3 动态自组装制备表面荷负电纳滤膜
• 5.3.3.1 pH的影响
• 5.3.3.2 SS/MA比率的影响
• 5.3.3.3 PSSMA浓度的影响
• 5.3.3.4 组装层数的影响
• 5.3.4 动态自组装制备表面荷正电纳滤膜
• 5.3.4.1 PAH浓度的影响
• 5.3.4.2 组装层数的影响
• 5.3.5 纳滤膜的pH稳定性研究
• 5.3.6 膜的亲水性评价
• 5.3.7 操作压力的影响
• 5.3.8 纳滤膜在去除铜离子方面的应用
• 5.4 本章小结
• 第六章 紫外接枝聚合制备低压荷正电聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵纳滤膜
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 主要原料及试剂
• 6.2.2 紫外接枝聚合制备纳滤膜
• 6.2.3 纳滤膜的结构及性能分析
• 6.2.3.1 FTIR-ATR红外全反射分析
• 6.2.3.2 XPS元素分析
• 6.2.3.3 SEM分析
• 6.2.3.4 AFM表面形貌分析
• 6.2.3.5 接触角测定
• 6.2.3.6 纳滤分离性能
• 6.3 结果及讨论
• 6.3.1 紫外接枝聚合反应
• 6.3.2 反应条件对接枝率的影响
• 6.3.2.1 单体浓度的影响
• 6.3.2.2 辐照时间的影响
• 6.3.2.3 辐照强度的影响
• 6.3.3 纳滤膜的化学组成及结构表征
• 6.3.3.1 FTIR-ATR红外全反射分析
• 6.3.3.2 XPS元素分析
• 6.3.3.3 SEM分析
• 6.3.3.4 AFM表面形貌分析
• 6.3.4 纳滤膜的分离性能
• 6.3.4.1 反应条件对纳滤膜分离性能的影响
• 6.3.4.2 纳滤膜对不同盐的分离性能
• 6.3.4.3 操作压力的影响
• 6.3.5 亲水性
• 6.3.6 抗污染性
• 6.4 本章小结
• 第七章 主要结论与创新
• 7.1 全文主要结论
• 7.2 研究特色及创新点
• 参考文献
• 作者简介及博士期间的科研成果