高通量聚酰胺复合膜的制备与效能研究

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聚酰胺复合(PA-TFC)膜因具有选择分离性能强、低能耗、环境友好等特点被广泛应用,但PA-TFC膜在实际应用中存在渗透通量小,分离性能差等缺点,本文从零维碳纳米材料和新型胺单体角度,调控聚酰胺功能层结构形貌,选择氧化石墨烯量子点(GOQDs)和3,5-二氨基-1,2,4-三氮唑(GAZ)优化复合膜性能,具体工作如下:研究了氧化石墨烯量子点(GOQDs)对GOQDs/PA-TFC膜性能的影响。零维碳纳米材料—GOQDs表面大量的含氧基团提高了PA-TFC膜的亲水性,膜的纯水通量是典型的聚酰胺膜的1.5倍(5.4 L/(m~2·h·bar)上升到8.2 L/(m~2·h·bar))。同时,GOQDs的存在并未影响GOQDs/PA-TFC膜对Na2SO4、磺胺甲噁唑、卡马西平等的截留率。GOQDs/PA-TFC膜不仅对水中微污染物、无机盐具有良好的分离性能,还提高了复合膜的抗氯性能,而且克服了trade-off效应。研究了GAZ对GAZ/PA-TFC膜复合层结构形貌与膜分离性能的影响。首先获得了PA-TFC膜制备的优化条件。最佳制备条件具体为PIP浓度0.5 wt.%,TMC浓度0.1 wt.%,反应时间30 s,此时复合膜的纯水通量为14.9 L/(m~2·h·bar),Na2SO4截留率为97.9%。FTIR和XPS证明GAZ参与了聚酰胺复合层的形成及其交联度降低。SEM和AFM分析表明,随着GAZ的加入,膜活性层厚度从148.5 nm逐渐下降到40.0 nm,并使膜具更光滑的疏松表面;平均孔径随GAZ含量的增加而逐渐增大。Zeta电位和接触角分析分别显示膜表面的负电性增强与亲水性降低。薄而疏松的分离层使GAZ/PA-TFC膜的通量提高到57.7 L/(m~2·h·bar),是未改性膜的4.3倍。此外,GAZ/PA-TFC膜对甲基橙、亚甲基蓝、结晶紫的截留率随GAZ含量增加而降低,而两种阴离子型染料刚果红(CR)和虎红(RB)的水通量分别从9.5、10.6 L/(m~2·h·bar)(PA-TFC膜)提高到23.5、23.0 L/(m~2·h·bar)。与此同时,尺寸筛分和静电排斥的协同作用使GAZ/PA-TFC膜对CR和RB的截留率保持在97.0%和99.5%以上。由此可知,GAZ使PA-TFC膜在分离阴离子型染料上克服了trade-off效应。因此,通过引入零维碳纳米材料(GOQDs)和新型胺单体(GAZ)调控聚酰胺复合膜的结构形貌,优化膜的水分离性能,用于脱盐或染料的回收利用。
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