高渗透高选择性聚酰胺复合纳滤膜的研究

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纳滤作为一种新的压力驱动型膜分离技术,凭借其能耗低、分离精度高、分离对象广等特点和高分离效率等优势,已被广泛应用于废水处理、海水淡化、饮用水净化、产品纯化与浓缩等多个领域。界面聚合法制备的薄层复合膜是目前商业化纳滤膜的主流产品,然而如何进一步协同提高纳滤膜的渗透性和选择性一直是工业界和学术界共同关注的问题。基于此,本文提出利用溶剂活化和引入树枝状两亲性超支化大分子这两种策略来改进聚酰胺复合纳滤膜的渗透性和选择性。具体研究内容如下:(1)以乙酸乙酯(EAC),丙酮(ACT)和四氢呋喃(THF)为活化溶剂,将其添加至有机相中,探讨活化溶剂种类及其含量对聚酰胺纳滤膜结构和性能的影响。研究结果表明,活化溶剂可以提升支撑底膜的孔隙率、拓宽界面聚合反应区和促进界面聚合期间单体的扩散速率,由此改进纳滤膜的结构和性能。其中,加入活化溶剂10 vol%THF时,水渗透通量达114 L·m-2·h-1,相比于初始膜提升约2.6倍,对Na Cl/Na2SO4的选择性为59.1,与商业纳滤膜相比具有更优异的渗透选择性。(2)以树枝状端羧基超支化聚酯(HPE)为原料,通过一步酰氯法制备超支化聚酯酰氯(HPE-COCl),并经常规界面聚合反应使HPE-COCl交联于聚酰胺层中,进而制备基于超支化分子的聚酰胺纳滤膜。研究结果表明,选用在水中溶解度较小的EAC作为助溶剂辅助溶解HPE-COCl更有利于超支化分子引入并发挥作用。由于超支化大分子独特的树枝状、亲疏水交替的分子结构和高密度的亲水性基团,将其引入聚酰胺分离层中可以协同提升膜的渗透性和选择性。其中,HPE-COCl引入量为0.07%w/v时,膜性能达到最佳,其水通量为78 L·m-2·h-1,相较于初始膜提升约1.5倍;并且对Cl-/SO42-、Fe3+/Na+的选择性能分别提升约1.7倍和5.1倍。综上所述,本文通过溶剂活化和引入树枝状两亲性超支化聚酯酰氯大分子两种方法协同改进了常规聚酰胺复合纳滤膜的渗透性和选择性,为综合性能优异的复合纳滤膜的研发提供了新思路和新方法。
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