基于聚电解质/氧化石墨烯调控的多功能层复合纳滤膜的制备及其性能

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纳滤(NF)作为膜分离技术中的一种,在水处理中得到广泛应用。但在实际应用中,面对逐渐复杂的分离环境,纳滤工艺中通常存在膜污染和膜渗透通量降低等各类影响膜分离效率的问题。因此,本文针对纳滤膜的制备方法和材料进行研究,旨在获得分离性能和抗污染性能良好的纳滤膜,促进纳滤技术在实际应用中的进一步推广。本研究将层层自组装(LBL)法和界面聚合(IP)法结合,制备聚电解质/氧化石墨烯调控的多功能层复合纳滤膜。首先通过LBL法将聚二烯二甲基氯化铵(PDDA)和聚(4-苯乙烯磺酸钠)(PSS)借助静电作用吸附在改性聚丙烯腈(hPAN)基膜表面,形成聚电解质功能层;然后通过IP法使间苯二胺(MPD)和均苯三甲酰氯(TMC)进行界面聚合,再生成聚酰胺(PA)功能层,制得聚电解质调控的具有多功能层的PEC-PA纳滤膜。之后利用性能优异的氧化石墨烯(GO)对PEC-PA纳滤膜进行进一步改性优化,利用GO-PSS的共混溶液替换上述PSS溶液,采取相同方法制得性能更优的PEC/GO-PA纳滤膜。本研究对多功能层复合纳滤膜的制备条件及性能进行了研究讨论,主要结论如下:(1)基于聚电解质调控制得的PEC-PA纳滤膜的优化制备条件为:PDDA溶液浓度为1.50 g/L、NaCl浓度为1.5 mol/L,PSS溶液浓度为1.25 g/L、NaCl浓度为0.5 mol/L,聚电解质单层沉积时间为20 min,聚电解质沉积层数为2.5层。MPD溶液浓度为0.4 wt%、浸渍时间为2 min,TMC溶液浓度为0.06 wt%、聚合时间为2.5 min,热处理时间和温度分别为15 min和60℃。在操作压力0.8 MPa下,PEC-PA纳滤膜对2.0 g/L硫酸镁(MgSO4)溶液的截留率为98.44%,渗透通可达到28.00L/(m2·h)。相比具有单一功能层的PA纳滤膜,PEC-PA纳滤膜在截留率提高的同时,渗透通量比PA纳滤膜提升了75%左右。(2)对PEC-PA纳滤膜进一步优化,基于聚电解质/氧化石墨烯调控制得了PEC/GO-PA纳滤膜,该纳滤膜的优化制备条件为:PSS-GO共混溶液中GO溶液浓度为1.0 g/L、NaCl浓度为0.5 mol/L、pH为4.5。在操作压力0.8 MPa下,PEC/GO-PA纳滤膜过滤2.0 g/L MgSO4溶液时截留率为96.92%,渗透通量可达到35.64 L/(m2·h)左右。相比于PA纳滤膜,PEC/GO-PA纳滤膜在截留率提高的同时,渗透通量比PA纳滤膜提升了122%左右,比PEC-PA纳滤膜提升了27%左右。(3)扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)的测试结果表明GO被成功添加到PEC/GO-PA纳滤膜中。固体表面Zeta电位仪和接触角仪的测试结果表明膜面电位及接触角的变化特征,证实了聚电解质及GO调控制备多功能层复合纳滤膜的有效性。(4)研究所制备的多功能层复合纳滤膜及仅通过IP法制备的PA纳滤膜对四种无机盐的分离性能,结果发现改性前后纳滤膜对浓度为2.0 g/L的MgSO4、Na2SO4、MgCl2、NaCl溶液的截留率皆为:Na2SO4>MgSO4>MgCl2>NaCl,即均表现出荷负电纳滤膜的分离特征,且三种纳滤膜对不同无机盐的渗透通量表现为:PEC/GO-PA>PEC-PA>PA纳滤膜。(5)采用典型有机污染物牛血清蛋白(BSA)、海藻酸(SA)、腐殖酸(HA),进行纳滤膜的抗污染过滤实验,采用AFM结合自制的胶体探针测定纳滤膜与上述三种污染物的微观作用力。通过结合污染过滤实验的膜通量与微观作用力分析得出:由于聚电解质和GO的逐级调控,改性后的纳滤膜亲水性逐渐变好,荷负电性逐渐增强,因此改性后的纳滤膜抗污染性能增强,所以三种纳滤膜的抗污染性能总体表现为:PEC/GO-PA>PEC-PA>PA纳滤膜。不同污染物对三种纳滤膜的污染趋势为:HA<SA<BSA。
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