相转化法+溶胶-凝胶法制备PAN/SiO2杂化膜的研究

来源 :浙江理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wuchuanmiao
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膜污染导致膜的寿命降低,成本增加,是多孔聚合物膜广泛应用的主要障碍,将具有优良的亲水性、高的比表面积等特点的无机纳米粒子引入多孔聚合物膜中以制备有机-无机杂化膜,在提高多孔聚合物膜抗污染性能上已被证明是一种行之有效的方法。然而,无机纳米粒子易团聚和无机纳米粒子与有机聚合物之间的相容性差、结合力弱,是制备有机-无机杂化膜的两个主要存在的问题。因此,探索和开发具有良好的孔径可控性和孔径分布窄的有机-无机杂化膜的制备新方法、新途径,具有重要意义。基于以上问题的考虑,我们利用相转化法+溶胶-凝胶法制备了具有良好孔径可控性和窄的孔径分布的PAN/SiO2杂化膜,同时提高了其抗污染性能,并对水解改性以及纳米杂化过程对膜的性能进行了深入探讨。采用衰减全反射-傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、原子力显微镜(AFM)、Zeta电位仪和接触角测试仪等仪器分别对实验制备膜的化学结构、形貌结构、表面粗糙度、表面电荷和亲水性等进行表征。采用错流过滤实验,系统研究了PAN膜、水解膜以及杂化膜的截留分子量(MWCO)、纯水渗透通量以及对不同溶质水溶液的分离性能。最后,通过采用静态蛋白吸附和动态抗污染实验,研究了制备膜的抗污染性能,同时考察杂化膜运行的稳定性。实验研究结论如下:(1)通过ATR-FTIR和XPS分析可知,正硅酸四乙酯(TEOS)经过水解缩聚反应生成了纳米级的SiO2颗粒,并通过表面的羟基和水解生成的羧基基团交联,SEM以及分布图显示了无论在膜表面还是膜孔内表面,生成的纳米SiO2分布均匀,无明显的团聚现象的出现。在3次连续循环污染实验后,PAN/SiO2-25杂化膜通量恢复率(FRR)仍可以维持在90.3%,充分显示了杂化膜具有良好的稳定性,同时表明生成的纳米颗粒与膜表面的结合性较好。(2)通过SEM和EDS分析可知,生成纳米颗粒的大小随着TEOS浓度的增大而逐渐增大,从大约20 nm长大到85 nm,导致膜表面粗糙度略有增加,杂化膜的分离层因此也变的更加致密。通过孔径和孔隙率分析可知,通过水解+原位溶胶-凝胶制备的杂化膜孔径在纳米颗粒堵孔的作用下逐渐减小,孔径从PAN膜的0.073μm缩小到PAN/SiO2-25杂化膜的0.006μm,相应地,纯水通量从605.4 L/m2·h下降到58.7 L/m2·h,孔隙率从78.6%减小到72.3%,且随着TEOS浓度的增加,PAN/SiO2杂化膜也呈现出下降的趋势。(3)水解程度、TEOS浓度、交联时间和交联温度等影响PAN/SiO2杂化膜的性能。水解程度、TEOS浓度、交联时间和交联温度增加,杂化膜渗透通量下降,对PEG的截留率上升。在PAN聚合物浓度=15.0 wt.%,TEOS=25%v/v(TEOS/C2H5OH),水解程度=44.69%,交联温度=105℃,交联时间=8 min的条件下制备PAN/SiO2杂化膜,其纯水通量为58.7 L/m2·h,PEG6000截留率为90.18%。(4)通过对比PAN膜、PAN-COOH水解膜和PAN/SiO2杂化膜对BSA吸附量,得到抗蛋白吸附能力为:PAN/SiO2-100杂化膜>PAN/SiO2-50杂化膜>PAN/SiO2-25杂化膜>PAN-COOH膜>PAN膜。通过进一步分析膜的动态过滤实验后可知,相比PAN膜,杂化膜拥有更低的相对通量降低率(RFR)和更高的通量恢复率(FRR),原位生成的SiO2纳米颗粒赋予了杂化膜拥有更高的抗污染性能。
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