基于二次交联调控界面聚合复合膜的微结构及分离性能

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在环保工作愈发受重视的今天,水处理的重要性不言而喻,而其中的纳滤技术凭借其高效率、低能耗等优势得到了广泛的应用。纳滤膜通常采用界面聚合法制备,但传统的界面聚合复合纳滤膜存在“Trade-off”现象,在提高截留性能的同时会使得整体结构致密,渗透通量较低。因此从膜制备方法入手,调控界面聚合膜结构及分离性能具有重要意义。本课题采用聚砜(PSF)超滤膜为多孔支撑层、三乙醇胺(TEOA)为水相单体、均苯三甲酰氯(TMC)为有机相单体,先通过界面聚合工艺制备含疏松分离层的TEOA/TMC复合膜,再采用聚丙烯酸(PAA)为交联剂对TEOA/TMC复合膜表面进行二次交联,制备分离层结构为表面致密而下部疏松的TEOA/TMC-PAA复合膜。采用ATR-FTIR、XPS、FE-SEM、表面Zeta电位测试仪,水接触角测试仪等仪器对复合膜的表面化学组成、微结构、荷电性和亲疏水性等进行表征;采用错流分离试验,对复合膜切割分子量(MWCO)、无机盐的分离特性以及染料的脱除效果进行评价。得出以下结论:(1)利用TEOA/TMC复合膜表面残留的羟基基团,可以通过二次交联实现对复合膜微结构的调控。ATR-FTIR与XPS分析表明,PAA中的羧基与TEOA/TMC复合膜分离层中剩余的羟基发生酯化反应,实现表面二次交联;SEM分析表明,表面二次交联后膜表面结构变得更加致密,且分离层厚度在二次交联前后没有较大变化;复合膜的切割分子量(MWCO)在表面二次交联后从3380Da降至1640Da,膜孔半径从1.31nm减小至0.96nm;表面Zeta电位分析表明交联后复合膜荷负电性增加,等电点减小;水接触角测试表明表面二次交联后复合膜表面亲水性能有所提升。(2)复合膜的分离性能可通过优化二次交联工艺参数加以调控。二次交联复合膜的分离性能由PAA浓度、交联热处理温度、交联热处理时间综合决定。随着PAA浓度增加,膜孔径减小,截留性能升高,但渗透通量骤降。在一定范围内,增加交联热处理温度和延长交联热处理时间均能够有效提高截留性能,同时损失一部分的渗透通量。较优的二次交联工艺为:PAA=0.025wt%,pH=2.00,交联热处理温度=125℃,交联热处理时间=7min。(3)二次交联复合膜具有明显的分离性能优势。与孔径相近的致密TEOA/TMC复合膜相比,二次交联复合膜的渗透通量高1.86倍,对不同无机盐的分离顺序为R(Na2SO4)>R(MgSO4)>R(NaCl)>R(MgCl2),符合荷负电纳滤膜分离特性规律,而且在长期运行情况下能够保持较好的稳定性。染料分离测试表明,二次交联复合膜对多种不同类型的染料分离效果较好,分离效果顺序为:R活性红>R甲基蓝>R刚果红>R日落黄>R中性红,且在长期运行条件下能够保持较好的稳定性,有较好的工业应用潜能。
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