PQ-10/PA荷正电复合纳滤膜的制备及其分离特性研究

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纳滤(NF)技术节能环保,在污水处理、制药和生物技术等领域的地位至关重要,而目前工业化纳滤膜多为荷负电。因而,研究制备荷正电纳滤膜对于拓展纳滤技术的应用范围具有重要的意义。本文以聚哌嗪酰胺(PA)纳滤膜为基膜,阳离子聚电解质聚季铵盐-10(PQ-10)为功能材料,利用PQ-10和戊二醛(GA)交联反应制备荷正电纳滤膜。研究了PQ-10浓度、热处理时间及温度等工艺参数对PQ-10/PA复合NF膜分离性能的影响,并采用FE-SEM、Zeta电位仪以及ATR-FTIR等技术分别对聚电解质复合NF膜的表面结构、荷电性、化学组成进行表征。实验研究了PA膜和PQ-10/PA复合NF膜对无机盐、染料以及水中特征有机污染物的分离性能,并探究了NF膜对阳离子型污染物十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)、聚丙烯酰胺(CPAM)和阴离子型牛血清蛋白(BSA)的抗污染性能。研究结果如下:(1)ATR-FTIR表明阳离子聚电解质PQ-10已成功涂覆在PA基膜,结合FE-SEM技术可得涂覆前后分离层厚度均为0.2μm左右且表面平整致密,Zeta电位测试表明在pH=3-9时,PQ-10/PA复合NF膜表面均呈正电性。(2)阳离子聚电解质PQ-10浓度的增加,能提高复合NF膜表面电荷密度。PQ-10/PA复合NF膜对CaCl2的截留率,随PQ-10和GA浓度增加、热处理时间的延长、热处理温度的上升均呈现递增趋势,而水通量呈递减趋势。阳离子聚电解质复合NF膜的较优制备工艺条件为:PQ-10浓度=0.5 w/v%、热处理温度=50℃、热处理时间=135s以及GA浓度=1.0w/v%。当操作压力为5 bar,进料液浓度为500 ppm CaCl2时,PQ-10/PA复合NF膜的截留率为53.8%,水渗透率为28.3 l/m2·h。(3)PQ-10/PA复合NF膜分离性能表明:在较优条件制备的复合NF膜的截留分子量为335 Da,相比PA基膜的520 Da下降明显。PQ-10/PA复合NF膜对无机盐的截留率分别为RMgSO4(92.4%)>RNa2SO4(91.2%)>RNaCl(73.2%)>RMgCl2(66.8%)>RCaCl2(54.5%)。对不同染料的截留率为维多利亚蓝B(99.9%)=甲基蓝(99.9%)>结晶紫(99.7%)>日落黄(98.4%)>中性红(92.2%),与基膜相比,PQ-10/PA膜对分子量较小的阳离子型染料结晶紫和中性红截留率显著提高。阳离子聚电解质复合NF膜对单一有机物分离结果为RLAS(85.8%)>RNPE(79.8%)>RDTAB(60.3%)>RDEP(54.9%)>RDMP(43.8%),对混合有机物(浓度250 ppm)的截留率保持在64.3%左右。(4)PQ-10/PA复合NF膜的抗污染实验表明,荷正电的复合膜对阳离子型污染物DTAB和CPAM的通量损失率分别为13.7%和14.8%,低于PA基膜的24.5%和42.5%,恢复率为93.1%和91.4%均高于PA膜。而PA膜对阴离子型BSA的通量损失率为15.6%,恢复率为95.1%。荷正电的PQ-10/PA复合NF膜与BSA的静电吸附作用强,损失率较高为34.9%,恢复率仅为75.2%,表明荷正电的阳离子聚电解质NF膜对阳离子型污染物溶液抗污染性能更好。
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