聚酰胺纳米纤维膜的制备及其过滤吸附性能的研究

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在环保领域,含有有机物、染料等污染物的废水排放是亟待解决的问题之一。通过静电纺丝技术所制备的纳米纤维膜已被广泛应用于水处理领域,利用纳米纤维膜的过滤与吸附性能,可以去除水中的纳米颗粒、染料、双酚A(BPA)等污染物。然而,静电纺丝纳米纤维膜的缺点,如较弱的机械性能与较大的膜孔径会严重限制其在实际废水净化领域中的应用;并且纤维膜吸附性能的提高也直接受到吸附位点数量的限制。因此,为获得一种具有良好过滤、吸附与机械性能的自支撑膜,本文对超细聚酰胺-66(PA-66)纳米纤维膜的制备、过滤性能、吸附性能和分离机理进行了深入研究。通过改变PA-66溶液的浓度,利用四喷头静电纺丝装置制备并优化出直径为79±10 nm的超细PA-66纳米纤维膜,解决了纤维膜在的机械性能、过滤性能及吸附效率方面存在的问题。扫描电子显微镜(SEM)、膜孔径分析仪等测试结果表明纳米纤维膜的表面形貌及孔径分布受到PA-66溶液浓度的影响,拉伸实验结果则证实了超细PA-66纳米纤维膜具有优异的力学性能,可以作为一种自支撑膜使用,水接触角实验表明经过静电纺丝后的纳米纤维膜表现出相对疏水的性质,有利于水净化领域的应用。进一步研究超细PA-66纳米纤维膜对聚苯乙烯纳米粒子的过滤性能与对BPA的吸附性能。通过吸附动力学、等温线模型及吸附热力学实验表明,超细PA-66纳米纤维膜对BPA的最大吸附量为127.6 mg/g。同时该膜可用于去除水中的细颗粒物和BPA,其过滤性能和动态吸附性能分别得到验证,结果表明该膜具有较高的过滤效率和选择性,表现在对200nm和100 nm颗粒的截留率分别为99.8%和21.1%。在动态吸附实验中,降低流速与增加纳米纤维厚度可以提高该膜对BPA的吸附效果。同时,采用XPS、傅里叶红外光谱(ATR-FTIR)、水接触角实验以及对不同酚类的吸附实验对吸附机理进行探讨。结果表明PA-66纳米纤维膜对BPA的吸附主要依靠氢键与疏水相互作用。经过14次静态吸附-脱附循环,其再生率达到87%以上,说明该膜可以持续用于废水处理。超细PA-66纳米纤维膜同样可以高效去除水中的阴离子(皂黄)及阳离子染料(柯衣定)。研究了该纳米纤维膜对皂黄及柯衣定的吸附动力学、等温线和热力学,结果表明其对皂黄和柯衣定的最大吸附量分别为133.3mg/g和204.5 mg/g。通过动态吸附实验表明,该膜对皂黄具有显著的动态吸附能力,并经过8次动态吸附-脱附循环过程,其再生率仍能达到95%以上,表明该膜在废水处理中具有很好的可重复性与稳定性。另外,根据XPS、ATR-FTIR、水接触角实验及SEM的结果提出了一种既包括过滤又包括吸附的多重分离机制。其中纳米颗粒的过滤依赖于筛分机制和深度过滤机制,而染料吸附则遵从静电作用、氢键作用和疏水相互作用,表明该纳米纤维膜是一种很好的多组分废水处理候选膜材料。最后,制备了一种基于超细PA-66纳米纤维膜的卷膜式膜组件,利用含染料混合物和纳米颗粒的多组分废水进行实验,获得了优异的水通量和分离效率。
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