基于坡缕石改性聚酰胺复合膜的制备与表征及性能研究

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饮用水安全保障是推动经济社会可持续发展、保障人民群众身体健康的重要前提。随着城镇居民生活水平的不断提高,供水行业的主要矛盾开始由供水量不足向饮用水水质质量进行转变。传统的饮用水处理工艺常用于去除水中的胶体、有机物、细菌及微生物等,但不能有效限制水中离子、消毒副产物等污染物的含量,这些污染物普遍具有低剂量、复合性、分子量小的特点。纳滤因其独特的分离性能、较低的生产能耗在饮用水净化中具有巨大的优势与潜力。当前,如何增加纳滤膜在运行过程中的水通量以及减小膜表面污染成为研究的热点与难点。本文从膜材料设计角度出发,以NF膜在饮用水净化过程中存在的实际问题为导向,制备了适用于饮用水深度处理工艺、性能良好的聚酰胺复合纳滤膜,主要研究内容如下:以聚砜(PSF)超滤膜为基底,选取哌嗪(PIP)、均苯三甲酰氯(TMC)体系通过界面缩聚(IP)反应制备聚酰胺复合纳滤膜。对纳滤膜制备过程中各项影响因素进行研究,优选出最佳的制备工艺为PIP的添加量为0.3 wt%,TMC添加量为0.15 wt%,水相浸渍时间为90 s,IP反应时间为40 s,后处理为80℃/5 min。所制得纳滤膜对Na2SO4去除率为97.1%,水通量为55 L·m-2·h-1(室温25℃)。对制备的纳滤膜进行表征发现复合膜表面呈现出明显的结节状结构;膜表面带负电荷,表面水接触角为46.7°,具有较好的亲水性。纳滤膜具有较好的选择透过性,截盐顺序依次为Na2SO4>Mg SO4>Na Cl,且纳滤膜的稳定性能良好。采用共混的方式制备了基于坡缕石(Pal)改性的聚酰胺复合纳滤膜。对采用优化工艺制备的纳滤膜(PA-NF膜)进行表面改性,发现Pal粒子可以显著影响纳滤膜性能,并在Pal粒子的添加量为0.01 wt%时获得最佳的膜性能。在最佳制备条件下,改性纳滤膜较未改性前水通量提高了34%,且截留率并未明显下降。通过表征实验发现,TFN-Px膜(改性膜)表面相较于PA-NF膜更加粗糙,在Pal纳米粒子添加量在0.005~0.01 wt%的范围内时,TFN-Px膜表面的球状突起增多,粗糙度增大。进一步提高Pal纳米粒子的添加量至0.03 wt%,由于Pal粒子的团聚及与聚合物间的边界空隙效应,观察到PA层上出现明显孔隙。TFN-Px膜的水接触角均低于纳滤膜,证明Pal纳米粒子可以显著改善膜的亲水性能,TFN-Px膜表面带有较强的负电荷。改性膜对盐溶液排斥顺序与PA-NF膜相一致,且膜的稳定性能良好,证明Pal纳米粒子牢固“镶嵌”在分离层中。改性膜抗污染能力优于未改性膜,表明Pal纳米粒子可以增加膜的抗污染能力。TFN-P0.01膜(Pal添加量为0.01 wt%)对饮用水具有较好的净化性能。当进料液为自来水时,进水温度从25℃提高到55℃,TFN-P0.01膜的水通量增加了56%。TFN-P0.01膜对有机物的去除效能较好,出水中UV254均不超过0.001 cm-1,对CODMn去除率为70.3%;对饮用水中的TDS、硬度的去除率分别为62.4%、72.69%;TFN-P0.01膜能够有效去除水中的二价离子,保留一价离子,体现出较好的选择分离性能;过膜后饮用水的p H值略微下降,水体仍呈现出偏碱性。
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