扩散渗析用聚乙烯醇复合膜的制备与性能研究

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在扩散渗析(DD)膜分离的过程中,除了存在离子通量(UOH)和选择性(S)之间的权衡效应以外,膜的稳定性尤其是抗溶胀性能也是决定膜性能好坏与寿命长短的重要因素。本研究在前期利用硼酸共聚物交联剂与聚乙烯醇制备碱式扩散渗析膜的基础上,采用三种不同的方法对聚乙烯醇基复合膜的抗溶胀性能进行改进,同时保持膜的分离性能不降低。论文的主要研究内容如下:第一部分是TEOS/硼酸共聚物双交联剂PVA复合膜的制备与性能研究。在将硼酸共聚物交联剂与PVA预交联的基础上,引入不同质量的无机组分正硅酸四乙酯TEOS(TEOS添加量分别为0.5 g、1.0 g、1.5 g、2.0 g),将TEOS溶于无水乙醇中,溶液再与预交联的PVA溶液共混,60°C下搅拌12 h得到复合膜液。膜液流延成膜水分自然挥发后进行老化处理即可。分别对几组复合膜做了相关的表征和性能测试。结果表明复合膜的含水量(WR)在142.8%-176.3%之间,离子交换容量(IECs)在0.052-0.115 mmol/g之间,溶胀度在52.8%-154.5%之间,且复合膜表现出良好的热性能和力学性能,微观结构测试结果表明TEOS的添加量过多不利于膜的均一性。当TEOS用量为0.5 g时,膜分离性能最佳,UOH为0.024 m/h,S为36.1。第二部分是改性壳聚糖(ECS)/硼酸共聚物双交联剂PVA复合膜的制备与性能研究。在硼酸共聚物交联剂预交联过的PVA溶液中,引入环氧氯丙烷交联的壳聚糖溶液(ECS)(壳聚糖先溶解于1%乙酸中,再加入环氧氯丙烷使其在碱性体系中50°C反应9 h)ECS添加量分别为2.5 m L、5 m L、10 m L、20 m L,通过在复合膜基体内构建ECS与PVA之间的聚合物互穿网络结构来改善膜的耐溶胀性能。分别对几组复合膜做了相关的表征和性能测试。探讨了通过改变改性壳聚糖的添加量对复合膜性能的影响变化情况。测试结果显示膜的含水量在98.0%-153.5%之间,溶胀度在150.1%-171.9%范围内,热分解温度在253°C-255.6°C范围内,表明添加了ECS的膜表现出更好的抗溶胀性能和较低的含水量以及更好的热稳定性,同时微观结构表明ECS与预交联PVA之间显示出优异的相容性,当ECS用量为10 m L时,膜的分离性能最佳,UOH为0.023 m/h,S为42.2。第三部分是PVA/三元共聚物交联剂复合阳离子膜的制备与性能研究。首先采用自由基聚合的方式制备了一种三元共聚物交联剂:依次将丙烯酸、乙烯基三乙氧基硅烷和三丙烯酰胺基苯硼酸(APPBA)溶于无水乙醇中,偶氮二异丁腈(AIBN)作为引发剂,升温到70°C并保温反应24 h。将不同质量分数的三元共聚物交联剂(与PVA质量比分别为0%、0.5%、1%、2%和4%)添加到PVA溶液中混合成膜,测试了复合膜的耐碱性、离子交换容量、力学性能和分离性能等,以及表征了膜的微观形貌,探讨了不同添加量的三元共聚物交联剂对复合膜性能的影响。结果表明由三元共聚物交联剂交联的膜表现出良好的热稳定性和耐碱性能、适宜的含水量以及离子交换容量。测试结果显示含水量在141.1%-158.7%之间,离子交换容量在0.063-0.330 mmol/g之间,溶胀度在105.6%-154.6%之间,当三元共聚物交联剂的用量为1%时,复合膜具有最佳的分离性能,UOH和S分别为0.018 m/h和36.9。
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