CMCNa/PEI复合中空纤维正渗透膜的制备及其性能研究

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正渗透膜分离技术是近些年发展起来的新型膜分离技术,具有能耗低、污染少、回收率高等优点,已在海水淡化、食品加工、药物释放和废水净化等领域展现出其潜在应用价值。正渗透膜分离技术的核心是高性能的正渗透膜,也是目前该领域的研究重点。论文以聚丙烯中空纤维膜为支撑层,聚乙烯醇(PVA)为亲水改性材料,以羧甲基纤维素钠(CMCNa)和聚乙烯亚胺(PEI)为功能材料,以戊二醛(GA)为交联剂,采用多层涂覆及表面交联工艺,制备CMCNa/PEI复合中空纤维正渗透膜。系统研究了亲水改性工艺、CMCNa与PEI浓度、CMCNa与PEI涂覆时间、GA浓度、GA溶液涂覆时间等对复合膜分离性能的影响规律。采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、傅里叶红外光谱(ATR-FTIR)、接触角测量仪以及Zeta电位仪等对CMCNa/PEI复合膜的表面物理化学性质进行表征。采用错流试验,系统研究了CMCNa/PEI复合膜在不同工艺条件下的正渗透分离特性。采用静置浸泡的方式评价了CMCNa/PEI复合膜正渗透膜的化学稳定性。最后,以牛血清蛋白(BSA)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和聚山梨酯-80(TW-80)为特征污染物,研究了CMCNa/PEI复合膜正渗透膜的污染特性,并与加压反渗透过程进行对比,探讨正渗透膜抗污染机理。得到以下结论:(1)ATR-FTIR及FE-SEM结果表明:通过多层涂覆,可成功得在PP底膜表面生成CMCNa/PEI活性分离层。分离层厚度约为0.5μm,且表面光滑、致密。在pH为3~9的范围内,CMCNa/PEI复合膜表面呈正电性。(2)PP中空纤维膜亲水改性研究表明:采用亲水性材料(PVA)对PP中空纤维膜进行亲水性,可有效提高CMCNa/PEI复合膜的正渗透性能。在相同条件下,以PP为基膜的复合膜的水通量(JV)、盐渗透通量(JS)及JS/JV值分别为13.2L/m2.h、15.8g/m2.h和1.2g/L,而以亲水改性的PP为基膜的复合膜的水通量(JV)、盐渗透通量(JS)及JS/JV值则分别为26.4L/m2.h、17.4g/m2.h和0.66g/L。(3)CMCNa/PEI复合膜制备工艺研究表明:复合膜分离层结构和性能受CMCNa浓度、CMCNa涂覆时间、PEI浓度、PEI涂覆时间、戊二醛浓度和戊二醛涂覆时间等影响。复合膜的较优制备条件为:CMCNa浓度=0.05w/v%、CMCNa涂覆时间=20min、PEI浓度=1.5w/v%、PEI涂覆时间=5min、戊二醛浓度=2.1w/v%、戊二醛涂覆时间=2min。所得到的CMCNa/PEI复合正渗透膜在0.3MPa、25℃及pH=6.8下,对500mg/L MgCl2溶液的截留为90.8%,纯水通量为29.1L/m2.h。以去离子水为进料液,0.5M MgCl2为汲取液,25℃及膜分离层朝向进料液的条件下,正渗透水通量为30.7L/m2.h、盐的渗透通量为17.9g/m2.h。(4)CMCNa/PEI复合膜正渗透性能研究表明:膜活性分离层朝向、膜面流速和汲取液浓度影响正渗透性能。复合膜分离层朝向汲取液时,水通量和盐渗透通量分别为22L/m2.h和117g/m2.h,JS/JV较大为5.3g/L;而复合膜分离层朝向进料液时,正渗透水通量为30.7L/m2.h、盐渗透通量为17.9g/m2.h,JS/JV仅为0.58g/L。汲取液流速的增加可以降低内浓差极化。当汲取液流速从0.005L/min提高到0.04L/min时,水通量提高了20L/m2.h左右,盐的渗透通量从5g/m2.h增加到17.9g/m2.h;进料液流速的增加可以降低外浓差极化现象,从而致使水通量增加,同时水通量的增加一定程度上抑制盐的渗透通量。当进料液流速从0.3L/min增加到1.8L/min时,水通量从21L/m2.h增加到30.7L/m2.h,盐的渗透通量降低了12g/m2.h左右。当MgCl2汲取液浓度从0.5M增加到2.0M时,水通量呈线性上升,而当汲取液浓度继续增加时,水通量基本维持不变。而盐的渗透通量随着汲取液浓度的增加而呈线性增加。(5)化学稳定性评价试验表明:制备的CMCNa/PEI复合正渗透膜具有较好的耐酸、碱性能。在0.5M的H2SO4和NaOH溶液中浸泡168小时,制备的CMCNa/PEI复合正渗透膜未见水通量和盐渗透通量的明显变化。(6)膜污染试验研究表明:制备的CMCNa/PEI复合正渗透膜具有较好的抗污染性能。以0.5M MgCl2为汲取液,进料液为1000mg/L污染物(牛血清蛋白(BSA)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)或聚山梨酯-80(TW-80)的水溶液,膜分离层朝向进料液的条件下,运行3小时发现,对于CTAB和TW-80水溶液,复合膜通量基本保持不变,表现出优异的抗污染性能;而对于BSA水溶液,通量下降到初始通量的60.9%。
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