醋酸丁酸纤维素正渗透复合膜的制备及性能研究

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正渗透由于不需外界的压力即可实现分离过程,是目前国际上最前沿的脱盐和水净化技术,具有高水通量和截盐率的正渗透复合膜受到了广泛的关注。正渗透复合膜在应用过程中,一般会出现膜的渗透通量远低于理论值,影响膜性能不能达到预期效果的重要因素之一是受到多孔支撑基膜层的影响。多孔支撑层基膜的厚度、表面形貌、流道曲折程度、亲水性等影响着正渗透过程的传质阻力、内浓差极化、抗污染性。因此,制备具有优异性能和结构的基膜,是开发正渗透复合膜高效性能的当务之急。本文以醋酸丁酸纤维素(CAB)为膜材料,分别以非溶剂致相分离法和复合相分离法(即:非溶剂致相分离法联合热致相分离法)制备CAB基膜,探究了制膜条件对基膜结构和性能的影响;再以间苯二胺(MPD)、均苯三甲酰氯(TMC)为活性单体,在基膜表面上通过界面聚合法制备正渗透复合膜,考察了基膜对正渗透复合膜结构和性能的影响;最后将两种方法制备的正渗透复合膜进行正渗透污染测试,研究了两种结构的正渗透复合膜的污染机制,并比较了膜的抗污染性能。主要研究结果如下:(1)以CAB为膜材料,甲酰胺为添加剂,溶剂分别是N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、丙酮、1,4-二氧六环,利用非溶剂致相分离法制备基膜。以MPD、TMC为活性单体,在基膜表面界面聚合制得正渗透复合膜。结果发现:混合溶剂制备的基膜比单一溶剂制备的基膜在结构和性能方面表现更好。在对应基膜上界面聚合制备出的正渗透复合膜,其性能受到基膜的影响。以DMAc和1,4-二氧六环为混合溶剂(m DMAc/m1,4-二氧六环=58:10),凝胶浴温度为20℃,制备的CAB基膜膜孔结构为表面致密,内部为海绵状孔,纯水通量达到843 L?m-2?h-1?bar-1,牛血清蛋白(BSA)截留率为97%;其界面聚合制备的正渗透复合膜,膜结构参数S值较小,正渗透水通量达到67.4 L?m-2?h-1,通量比(盐反向通量/水通量)为0.076g/L,具有优良的正渗透性能。(2)以CAB为膜材料,己内酰胺(CPL)为稀释剂,以复合相分离法制备正渗透基膜,在此基膜的表面界面聚合聚酰胺层,得到正渗透复合膜。结果表明:随着高分子浓度增加,基膜的表面孔径变小,亚皮层的指状孔减少,水通量下降。凝胶浴温度越高,基膜孔径越大,凝胶浴温度为60℃时,基膜为上表面致密,亚皮层为大空腔结构,亚皮层到下表面为贯穿式的蜂窝状孔结构。最佳基膜制备条件为16%CAB和84%CPL,凝胶浴温度为60℃。以此制备的正渗透复合膜性能最优,其正渗透(FO)性能测试结果水通量达到53.9 L?m-2?h-1,通量比(盐反向通量/水通量)为0.08g/L,其RO模式的性能测试结果截盐率R值达到96%。再进行浓差极化影响探究,改变FO测试中流量大小和汲取液浓度高低,发现测试流量增大时,膜表面的外浓差极化影响随之降低,膜的水通量提高,通量比减小。汲取液浓度越高,渗透压差越大,水通量增加的同时,通量比也在增加,内浓差极化对膜的影响扩大。以1mol/L NaCl为汲取液时,正渗透复合膜有较高的水通量和低的通量比。(3)开展了两种方法制备的正渗透复合膜的污染实验研究,分别以海藻酸钠和BSA为污染物,研究两种结构的正渗透复合膜抗污染机制以及污染对膜性能的影响。结果表明:简单的物理清洗并不能达到理想的清洗效果。复合相分离法制备的正渗透复合膜的水通量恢复率比非溶剂致相分离法制备的正渗透复合膜的高,并且蜂窝状孔结构更易于清洗。
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