工业化和人口的快速增长使得人类社会对淡水资源的需求日益增长,水资源的污染问题也日益严峻。膜分离技术近年来发展十分迅速,在洁净水的生产中发挥着越来越大的作用。作为21世纪兴起的一项新型的膜分离技术,正渗透(FO)从本质上来讲具有许多独特的优点,如低压甚至无压操作,能耗较低;对许多污染物几乎完全截留,分离效果好;低膜污染特征;膜过程和设备简单等。因而该技术吸引了广泛的研究兴趣,在海水淡化、废水回用、食品加工和渗透发电等领域表现出了巨大的应用潜力。然而,正渗透技术的应用仍然处于起步阶段,在短时间内难以实现大规模工业应用,其中面临的主要问题之一就是高性能正渗透膜的开发。本文从改善聚酰胺薄层复合(TFC)膜的底膜结构和亲水性为出发点,研究了底膜的结构和性质与复合膜正渗透性能的关系,采用了两种不同的膜改性手段,提高了聚酰胺正渗透复合膜的水通量和截留率,评估了正渗透技术用于苯酚废水处理的可行性。首先,从底膜结构入手,选取了聚砜浓度、铸膜液溶剂以及致孔剂三个对底膜性能影响最大的因素,研究了不同条件下底膜结构和性能的差异,以及这些差异对复合膜正渗透性能的影响。扫描电镜(SEM)、孔隙率和渗透性能测试结果表明,随着铸膜液中聚砜浓度增加,相转化成膜时溶剂和非溶剂的交换速度变慢,聚合物的沉淀过程逐渐由瞬时液-液分相过渡到延时液-液分相,导致底膜结构膜主体内指状大孔结构减少,海绵状孔增多,孔隙率下降,造成复合膜的正渗透水通量的下降;随着铸膜液溶剂由N-甲基吡咯烷酮(NMP)变为N,N-二甲基甲酰胺(DMF),底膜结构由指状长孔过渡到海绵状孔结构,孔隙率显著减小,大大增加了膜的传质阻力;随着致孔剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)添加量的增加,底膜内部的指状长孔更加明显,孔的连通性更好,逐渐以长长的开孔为主,正渗透水通量显著提高,但当PVP含量过高时,复合膜的正渗透性能反而下降。试验结果表明,底膜的结构和性质直接影响到复合膜的正渗透性能,而底膜的结构和形貌主要取决于相转化过程中溶剂和非溶剂的交换速度以及添加剂的含量。在本试验的研究范围内,聚砜含量为14～18%,溶剂选用NMP,PVP含量为0.5wt%时较为适宜。在讨论了膜的性能与底膜结构的关系的基础上,接下来的试验尝试了在聚砜铸膜液中掺杂纳米SiO2,以期改善底膜的亲水性,优化膜的多孔结构,减小复合膜在正渗透过程中的内浓差极化。以亲水性纳米SiO2作为改性剂,通过共混的方式,将不同含量的纳米SiO2粒子(1wt%,3wt%和5wt%)添加到铸膜液中,制备出了渗透性能改善的薄层纳米复合(TFN)正渗透膜。对制备出的改性膜进行了全反射红外(ATR-FTIR)和扫描电镜能谱(EDX)表征,结果表明,改性膜的纳米SiO2粒子只是以物理共混的方式作为添加剂分散在聚砜膜中,没有与聚砜分子形成新的化学键。对改性膜的接触角、孔隙率和渗透性能的测试结果表明,纳米SiO2改性改善了底膜的润湿性、提高了孔隙率并减小了结构参数,大大提高了底膜的纯水渗透通量。然而,当纳米SiO2含量较高时,纳米粒子之间容易发生团聚,但不会影响复合膜活性层的完整性和致密性。改性膜的纯水渗透系数和盐渗透系数之间存在着明显的折中效应(Trade-off effect),B/A值随着底膜中纳米SiO2含量的增加而增加,这说明纳米SiO2可以作为一种良好的改性剂来提高聚砜膜的水通量,却不能提高TFN膜的选择性。最后,FO性能测试结果表明,纳米SiO2改性能明显提高复合正渗透膜的水通量,水通量由TFC膜的18.2LMH提高到TFN-5膜41.9LMH。但是,反盐扩散通量也是随着底膜中纳米SiO2含量的增加而增大,过量的纳米SiO2改性会降低膜的截留率,从而对正渗透膜的性能产生严重的负面影响。为了同时改善TFC膜的水通量和截留率,克服用纳米SiO2掺杂改性的缺陷,进一步的试验采用表面改性的方法,对聚砜底膜进行了三种不同形式(上表面、下表面和双面改性)的聚多巴胺(PDA)改性。对PDA改性层进行了用ATR-FTIR、X射线能谱(XPS)和SEM表征以及接触角和渗透性能测试,结果表明,PDA层被成功的制备在了多孔聚砜底膜表面,并在底膜表面引入了大量的亲水性基团,提高了 PSf底膜表面的亲水性,减小了正渗透过程中的内浓差极化(ICP)现象。TFC PDA@top PSf膜的盐截留率明显提高,而TFC PDA@bottom PSf膜表现出了明显改善的水渗透性。这表明不同改性方式下PDA所起的作用不同,PSf膜上表面的PDA改性有助于提高界面聚合过程中聚酰胺活性层的致密性;而PSf膜下表面的PDA改性能显著提高底膜的亲水性,因为多巴胺分子很容易通过底膜下表面的大孔进入膜内部而附着在孔壁上。最后,三种PDA改性的TFC膜的正渗透水通量相对于原始膜均明显改性,TFC PDA@bottom PSf膜的水通量相对于原始膜显著提高。而TFCPDA@topPSf膜的反盐扩散通量最低,相对于原始膜有明显的改善。因此,结合两者优点制备出的TFCPDA@dualPSf膜在获得较高水通量的同时并不会造成汲取质的大量流失,克服了 TRrade-off问题,其性能明显优于SiO2改性的TFC膜。最后,选用本文制备的聚酰胺薄层复合(TFC)膜和一种本课题组研发的AgCl矿化改性聚酰胺复合(MTFC)膜作为正渗透膜,以苯酚废水的处理为正渗透技术的研究对象,系统地研究不同操作条件下,包括原料液中苯酚浓度、pH、离子强度和汲取液浓度,正渗透技术去除废水中苯酚的效率。试验结果表明,在本试验的研究范围内,苯酚的截留率与原料液的浓度无关,而膜的朝向对苯酚的去除效率有很大影响。尽管AL-DS模式下的水通量很高,但其苯酚截留率较低,并且该模式下,原料液中的污染物会在多孔支撑层内积累,造成不可逆的污染。通过增加汲取液的浓度或原料液的pH可以改善苯酚的截留率。当进料溶液的pH值为11时,TFC膜和MTFC膜的截留率可分别高达97.0%和98.8%。苯酚的吸附试验表明,吸附行为可能和溶质与膜的亲疏水性、静电相互作用以及反盐扩散有关。此外,膜污染试验表明,FO工艺过程中的苯酚污染过程是可逆的,并且通过简单的物理清洗即可使水通量恢复理想水平。最后,本章节的研究证明了利用TFC膜和MTFC膜的正渗透过程是处理苯酚废水的可行和潜在的替代方法。