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目前,商业超滤膜主要由相转化法制备,通常存在膜阻力大、通量低、污染现象严重等问题。本文着眼于降低膜阻力和提高膜通量,提出一种高分子纳米纤维复合膜的制备方法。它以冷冻-萃取技术由高分子极稀溶液制备高分子纳米纤维溶液,随后在微滤基膜上制备纳米纤维分离层,组成高通量的超滤膜。本文以聚氯乙烯(PVC)和聚丙烯腈(PAN)两种高分子膜材料为例研究高分子纳米纤维的形成原理及制备工艺,超滤膜的制备工艺、结构、分离性能及其构-效关系。主要研究内容如下: (1) PVC纳米纤维及其复合超滤膜的制备与性能研究。考察了溶剂、温度和PVC浓度对PVC纳米纤维形成和结构的影响,测试了复合膜的超滤性能和吸附性能,探究了复合膜的结构与分离性能间的关系。实验结果表明:溶剂是影响PVC纳米纤维形成的主要影响因素,通过选择溶剂可获得直径为45 nm的PVC纳米纤维。制备的纳米纤维分散在乙醇溶液中,经过滤技术可在微滤基膜上形成厚度均一的纳孔分离层,组成PVC纳米纤维复合膜。分离层的厚度和孔隙率均随纳米纤维溶液体积增加而线性增大,前者在360~1055nm范围内可控、后者高达63%。较之商业超滤膜,制备的PVC纳米纤维复合膜呈现高的渗透性,其水通量高达6.61×103 L m-2 h-1 bar-1,且对Ferritin具有较好的截留效果。此外,该膜可快速、高效的吸附染料亚甲基蓝(MB),其吸附容量可达76 mg g-1。 (2)PAN纳米纤维及其复合超滤膜的制备与性能研究。基于PVC纳米纤维的实验结果,系统考察了三种溶剂对PAN纳米纤维及其复合膜的形成、结构和性能的影响规律。实验结果表明:三种溶剂可制备结构差异较大的PAN纳米纤维溶液,其巾DMSO为溶剂可获得珠链状的PAN纳米纤维;三种溶剂制备的纳米纤维溶液均可在微滤基膜上制备厚度低至100nm、孔径约10nm的分离层,组成高性能PAN纳米纤维复合膜,其分离层的厚度可经纳米纤维溶液的过滤体积精确调控。这些PAN纳米纤维复合膜具有好的渗透性,其纯水通量可达2.07×103 L m-2 h-1 bar-1,且对5nm金纳米粒子和Ferritin具有优异的截留效率。例如,厚度为301nm的复合膜的截留孔径小于5 nm,对5nm Au和Ferritin截留率分别为98%和99%。 (3)为了进一步降低PAN纳米纤维复合膜的截留孔径,在PAN分离层的基础上再沉积了一层交联Ferritin超薄层,构成高通量复合膜。重点考察了Ferritin超薄层厚度对复合膜结构和性能的影响,测试了复合膜的分离性能并探究了其构-效关系。实验结果表明:PAN纳米纤维/Ferritin复合膜具有较好的渗透性,纯水通量可达512 Lm-2 h-1 bar-1。和PAN纳米纤维膜相比,该复合膜对DY具有良好的截留性能,最高可达68%。 综上所述,本文开发一种简单的高分子纳米纤维溶液的制备方法,成功制备了PVC和PAN纳米纤维;并以这些纳米纤维为材料制备了PVC纳米纤维、PAN纳米纤维和PAN纳米纤维/Ferritin三种高渗透性复合超滤膜。这些膜具有通量高、污染低、过滤阻力小等优点,在超滤、吸附分离等过程具有良好的应用前景。