新型微孔二氧化硅杂化膜的制备与分离性能研究

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微孔二氧化硅膜具有良好的耐酸碱性、耐热稳定性、孔径可设计调控等优点,近年来在气体分离、渗透汽化、海水淡化(脱盐)、膜催化反应器等领域中被广泛研究,具有潜在的应用前景。但是,无机非晶态二氧化硅膜表面富含羟基,在高温含水汽环境中使用时容易造成膜Si-O-Si骨架的坍塌,水热稳定性差,从而限制了它的应用。通常采用引入有机基团修饰二氧化硅骨架、金属掺杂等手段合成出具有水热稳定性好的二氧化硅杂化膜。基于目前的研究现状,本文设计制备出水热稳定性良好的铝掺杂Al-1BTESE-2TEOS-SiO2杂化膜、萘基硅烷为前驱体的SiO2杂化膜,系统探究了膜的制备条件、表征以及分离性能。具体内容如下:(1)以1,2-双(三乙氧基硅基)乙烷(BTESE)和正硅酸四乙酯(TEOS)为硅烷前驱体,以Al(NO3)3?9H2O为铝源,采用溶胶—凝胶法成功地制备了铝掺杂的Al-1BTESE-2TEOS-SiO2杂化膜。用TG、FTIR、XPS、BET、SEM等手段对合成溶胶(膜)进行了表征,系统考察了铝掺杂量、BTESE/TEOS比、膜的焙烧温度等制备条件对膜的微观结构和分离性能的影响。结果表明:与未掺杂铝的SiO2膜相比,在Si/Al=9.5/0.5,BTESE/TEOS=1/2,焙烧温度为250 oC的优化条件下所制备的铝掺杂SiO2杂化膜,在渗透汽化脱盐测试中表现出了优异的脱盐性能。在3.5 wt%NaCl溶液中,25 oC时该膜的渗透通量为3.2 kg?m-2?h-1,截留率大于99.9%;75 oC时渗透通量高达6.1 kg?m-2?h-1,截留率为97.8%,这明显优于目前文献报道中绝大多数的SiO2膜的脱盐性能。此外,在不同温度和不同NaCl浓度条件下连续性较长时间测试中,该膜展现出了优异的水热稳定性。(2)以1-萘基三乙氧基硅烷(NTEOS)为前驱体,γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)为硅烷偶联剂,利用溶胶—凝胶法成功地制备了骨架中含有萘基官能团的有机无机SiO2杂化膜。通过探究KH560用量、水用量、HCl用量、膜焙烧温度等制备条件对膜微观结构和分离性能的影响,结合TG、FTIR、BET、SEM等各种表征手段,可优化制备条件为:NTEOS:KH560/H2O/HCl/EtOH=1/0.2/30/0.2/9,焙烧温度为500 oC。与非晶态的无机SiO2膜相比,通过设计有机硅烷前驱体、引入萘基有机官能团进入SiO2杂化膜骨架结构中,有利于调控膜的孔径大小,提高膜的水热稳定性和耐酸性,从而提高了二氧化硅杂化膜的分离性能。优化制备的杂化膜对浓度为7.5 mg?L-1的亚甲基蓝废水进行过滤分离,其渗透通量达76.1 L?m-2?h-1,截留率高于99.0%。该膜在染料废水过滤分离的过程中可能存在分子筛分和静电吸附的协同效应的分离机制。由于测试过程中存在浓差极化和膜污染问题,故对染料污染的膜经400 oC焙烧处理,重复使用5次仍表现较好的截留分离性能,具有良好的循环稳定性。
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