疏水性杂化渗透汽化膜的制备及其分离性能研究

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苯酚是一种重要的工业原料,同时也是一种剧毒物质,对环境和人体健康造成严重损害,因此,废水中苯酚的有效回收具有非常重要的意义。与传统的分离方法(如萃取、分馏和吸附等)相比,渗透汽化被认为是分离和回收废水中低挥发性有机物的一种节能、经济的替代技术。膜的分离性能取决于膜材料的性质,本论文根据溶解度参数法选用了两种疏水性膜材料,分别为聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚醚嵌段聚酰胺(PEBA)来制备渗透汽化膜,用于去除、回收水中的苯酚。本文对比研究了PDMS、PEBA渗透汽化膜对苯酚的分离效果。考查了PDMS浓度、交联剂、预交联时间等制膜条件的改变,对苯酚分离性能的影响。并尝试利用MOFs材料(β-CD@ZIF-8,MIL-53-Al,ZIF-71,ZIF-8和Co-UMOFNs),进一步提高PEBA膜的分离性能。研究发现,PDMS膜的制备条件对渗透汽化分离苯酚有显著的影响。最优条件下(20%OH-PDMS与TEOS交联,且TEOS/PDMS为0.3,预交联时间为30min)PDMS膜对苯酚的分离因子为15.9,通量为1.17 kg m-2h-1。PEBA膜相对于两种类型的PDMS膜对苯酚有更好的性能。几种疏水性MOFs(β-CD@ZIF-8,MIL-53-Al,ZIF-71,ZIF-8)填充至PEBA膜制备混合基质膜,结果表明,MOFs-PEBA/PVDF混合基质膜对苯酚分离性能没有明显的提升。主要是因为MOFs材料的孔尺寸较小,苯酚分子无法通过MOFs材料的通道,MOFs材料的加入并没有增加渗透分子的传输通道。二维钴超薄金属有机骨架纳米片(Co-UMOFNs)掺入PEBA后,形成了典型的“brick and mortar”结构的杂化膜,PEBA中的无定形PE链段变成了晶体结构,限制了PE链段的运动。Co-UMOFNs的填充也略微提高了PEBA的热稳定性和疏水性。当在70°C下分离1000ppm苯酚溶液时,随着Co-UMOFNs填充量从0%增加到40%,苯酚分离因子从27增加到45,总通量从1.2 kg m-2h-1降低到0.42 kg m-2h-1。由于Co-UMOFNs堆叠引起的层间通道增加了曲折度,水分子渗透路径的曲折性得到了改变,因此,水通量受到抑制,苯酚分离因子增加。抑制水渗透也可以是制备高性能亲有机物渗透汽化膜的另一种方案。Co-UMOFNs-PEBA/PVDF膜的渗透汽化结果表明,二维纳米片Co-UMOFNs加入的混合基质膜在苯酚水溶液的分离和回收方面具有很大的潜力。
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