荷正电芳纶纳滤膜的制备及性能研究

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纳滤是一种介于超滤和反渗透之间的新型压力驱动膜分离技术。因其特殊的分离机制,可对纳米尺度的组分进行有效分离,同时具有渗透通量大、运行压力低等优势,在水处理、制药、食品以及生物技术等诸多领域得到广泛的应用。作为纳滤分离过程的核心,纳滤膜应具备与分离介质、分离对象相匹配的表面化学性质和孔结构,从而实现稳定高效的分离性能。荷正电纳滤膜在某些实际应用过程(如水软化、重金属离子脱除、废水中荷正电染料的浓缩回收或染料脱盐等)中具有广阔的应用前景,但受限于制备方法,尚未有大规模的工业化生产。本文围绕新型荷正电芳纶纳滤膜的有效制备展开研究,具体研究内容和主要结论如下:  以芳纶1313(PMIA)为主要膜材料,聚乙烯亚胺(PEI)为功能化共混添加剂,通过非溶剂诱导相分离法(NIPS)成功制备了表面富含氨基的PMIA活性前体膜,同步实现基膜的制备与表面“活化”。PEI在膜本体具有较高的保留率且存在明显的表面富集现象,使得较低的共混量就可获得高PEI含量的皮层。高的表面富集比为后续改性提供了大量的活性位点,为纳滤致密皮层的构建提供了可能。对于共混含量为10~20wt%的活性前体膜,其表面等电点在pH8.7~9.3之间,有效孔径在6~10nm左右,孔径分布在1.7~2之间,属于典型的超滤膜。氨基的引入和表面富集使活性前体膜呈现明显的荷正电特征。  基于氨基型PMIA活性前体膜,以均苯三甲酰氯(TMC)为交联剂,通过一步界面聚合法制备了荷正电PMIA纳滤膜,简化了传统界面聚合法制备纳滤膜的过程。通过控制交联条件和后处理条件可有效调控纳滤膜渗透分离性能,当TMC浓度为0.15 wt%、反应时间60 s,60℃热处理10 min所制备的纳滤膜具有最优性能,该纳滤膜在4 bar压力下对0.01 M MgCl2的截留率达到93.7%,纯水通量为17.8 L·m-2·h-1,对不同无机盐的脱除能力为MgCl2≈CaCl2>NaCl>MgSO4>Na2SO4,呈现明显的荷正电特性。纳滤膜具备良好的压力稳定性,且纳滤分离层与基膜之间靠PMIA与PEI大分子间的互穿缠结和较强的氢键作用相结合,使所制备的荷正电纳滤膜具备很好的分离稳定性。  为了进一步提高纳滤膜的荷电性能和渗透分离性能,以氨基型PMIA活性前体膜为基膜、对二氯苄(XDC)为季铵化交联剂,通过季铵化交联制备了表面光滑、无缺陷、性能稳定的低压荷正电PMIA纳滤膜。该方法同时实现了皮层的交联致密化和荷电化,通过控制交联条件可有效的控制纳滤膜分离层的致密性、厚度,从而对其性能进行调控。当交联剂浓度为0.6 wt%,80℃反应8h所制备的纳滤膜具备良好的渗透分离性能,该纳滤膜分离层厚度约为127 nm,有效孔径为1.43 nm,截留分子量约为1032 Da,在4 bar压力下对0.01 M MgCl2的截留率达到94.4%,纯水通量为37.3 L·m-2· h-1,对不同无机盐的脱除能力为MgCl2≈CaCl2> NaCl> MgSO4> Na2SO4,呈现典型的荷正电特性。荷正电密度的提高减弱了纳滤膜分离性能对孔径的依赖性,相对较大的孔径和薄的分离层有效的提高了纳滤膜的渗透性能。该方法所制备的纳滤膜在较低压力下仍具备很好的渗透分离性能,如在2 bar的压力下对MgCl2的截留率为92.1%,纯水通量达到18.1L·m-2· h-1,在低压高通量荷正电纳滤膜领域具备很好应用潜力。
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