基于聚丙烯腈（PAN）静电纺纳米纤维的醋酸纤维素（CA）复合超滤/纳滤膜的结构与性能研究

论文摘要

静电纺丝纳米纤维膜与传统的多孔聚合物膜相比,具有孔隙率高、孔径分布均匀和孔连通性好等优点,非常适合做复合膜基膜。本文制备了基于聚丙烯腈（PAN）静电纺纳米纤维的醋酸纤维素（CA）复合超滤/纳滤膜,并对CA/PAN复合超滤/纳滤膜的制备方法及性能进行了深入的研究。以浓度为6%、8%、10%的PAN溶液为纺丝原液制备PAN静电纺丝纳米纤维膜,扫描电镜结果显示,PAN纳米纤维膜具有相互连通的多孔结构,孔隙率及纯水通量测量结果表明,三种PAN膜均具有较高孔隙率（>85%）和纯水通量（>920L/m2h·psi）,并且纯水通量随PAN膜厚度的增大只有小幅度减小。以PAN静电纺丝纳米纤维膜作为支撑,在其上采用溶胶-凝胶相转化法制备一层超薄的、亲水的CA功能分离层,探讨了预蒸发时间、凝固浴（水）温度、热处理时间等制膜工艺及CA浓度对复合超滤/纳滤膜成膜性能及过滤性能的影响。将CA/PAN复合超滤膜（CA铸膜液浓度为5—15wt%）在油水乳液体系下进行超滤实验,发现随凝固浴温度上升,水通量下降,截留率上升;热处理时间越长,水通量越小,截留率越大;铸膜液中CA浓度越大,复合超滤膜越厚且致密,导致水通量减小而截留率上升。其中,CA浓度为10%的CA/PAN复合超滤膜能保证较高的截留率（>99%）的前提下,表现出较高的水通量（142L/m2h）。与CA平板超滤膜相比,CA/PAN复合超滤膜在保证相同或更高的超滤截留率下,水通量比CA平板超滤膜高出5-10倍。将CA/PAN复合纳滤膜（CA铸膜液浓度20—25wt%）在0.05wt%的硫酸镁溶液体系下进行纳滤实验,发现预蒸发时间对膜的水通量存在极大值,截留率随着预蒸发时间的延长始终呈上升趋势,并趋于平衡;随凝固浴温度上升,复合纳滤膜水通量下降,截留率上升;随着热处理时间的延长,复合纳滤膜的通量下降,截留率上升;铸膜液中CA浓度越大,水通量减小而截留率上升;所制备的CA/PAN复合纳滤膜表面光滑平整,分离层厚度为3-5um左右,并且能表现出相对较好的过滤性能。CA浓度为25%的CA/PAN复合纳滤膜水通量为20.3L/m2h,截留率为65.9%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 高分子分离膜概述
• 1.1.1 高分子分离膜的研究进程
• 1.1.2 高分子分离膜的分类
• 1.1.3 超滤膜的分离原理及应用
• 1.1.4 纳滤膜的分离原理及应用
• 1.1.5 CA超滤/纳滤膜的研究进程
• 1.1.6 高分子分离膜材料发展前沿及有待解决问题
• 1.2 基于纳米纤维的复合膜概述
• 1.2.1 纳米纤维简介
• 1.2.2 静电纺丝法制备纳米纤维的概述
• 1.2.3 纳米纤维基复合膜的应用与研究进程
• 1.3 本论文的研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验材料与设备
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验设备
• 2.2 纳米纤维基CA复合膜的制备
• 2.2.1 PAN纳米纤维基膜的制备
• 2.2.2 CA功能分离层的制备
• 2.3 纳米纤维基CA复合膜的表征
• 2.3.1 膜形态与结构测定
• 2.3.2 接触角测定
• 2.3.3 水通量与截流率测定
• 2.3.4 膜孔隙率测定
• 2.3.5 膜力学性能测定
• 第三章 纳米纤维基复合超滤膜的结构与性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 聚丙烯腈（PAN）静电纺丝纳米纤维基膜的表征
• 3.2.1 PAN纳米纤维的SEM表征
• 3.2.2 PAN纳米纤维的孔隙率及纯水通量
• 3.2.3 PAN纳米纤维的过滤性能
• 3.3 制膜工艺对复合超滤膜水通量与截流率的影响
• 3.3.1 凝固浴温度对复合超滤膜水通量与截流率的影响
• 3.3.2 热处理时间对复合超滤膜水通量与截流率的影响
• 3.4 CA浓度对复合超滤膜结构与性能的研究
• 3.4.1 CA浓度对复合超滤膜成膜形态的影响
• 3.4.2 CA浓度对复合超滤膜亲水性的影响
• 3.4.3 CA浓度对复合超滤膜的水通量与截流率的影响
• 3.5 纳米纤维基CA超滤膜与CA平板超滤膜的过滤性能比较
• 3.6 CA/PAN复合超滤膜的力学性能研究
• 3.7 本章小结
• 第四章 纳米纤维基复合纳滤膜的结构与性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 预蒸发时间对复合纳滤膜水通量与截留率的影响
• 4.3 凝固浴温度对复合超滤膜水通量与截留率的影响
• 4.4 热处理时间对复合纳滤膜水通量与截留率的影响
• 4.5 CA浓度对复合纳滤膜的水通量与截流率的影响
• 4.6 CA/PAN复合纳滤膜的结构
• 4.7 纳米纤维基CA纳滤膜与CA平板纳滤膜的比较研究
• 4.7.1 纳米纤维基CA纳滤膜与CA平板纳滤膜的过滤性能比较
• 4.7.2 纳米纤维基CA纳滤膜与CA平板纳滤膜的力学性能比较
• 4.8 本章小结
• 第五章 结论及展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 硕士研究生阶段发表的论文
• 硕士研究生阶段申请专利
• 致谢