羟乙基壳聚糖/聚偏氟乙烯复合纳滤膜的制备及其结构与性能研究

摘要

纳滤是一项新兴的膜分离技术,能有效截留高价离子以及分子量在200-2000Da之间的有机物,其截留性能介于超滤和反渗透之间。物质在纳滤膜内的传递过程主要基于三个现象,即位阻效应、道南排斥效应和介电排斥效应。基于这些传质现象,一系列模型被发展起来用以预测纳滤膜的截留性能。纳滤膜通常为复合膜,即在多孔支撑层上复合一层致密的选择层。目前大多数商品化的纳滤膜都为荷负电纳滤膜,而基于一些领域的特殊需要,也有必要开发出荷正电纳滤膜。
　　 壳聚糖是一类比较重要的化合物,是自然界中唯一大量存在的碱性天然多糖。壳聚糖中含有大量的氨基和羟基,使得壳聚糖易于改性成具有特殊性能的衍生物。壳聚糖及其衍生物具有良好的成膜性,能够用于膜分离领域。但目前关于壳聚糖及其衍生物制备纳滤膜的报道还较少,有必要进一步开拓。
　　 本课题通过碱化壳聚糖与环氧乙烷在碱性条件下的反应制备了水溶性的羟乙基壳聚糖(HECS)。并对制备的羟乙基壳聚糖进行了元素分析(EA)、光谱分析(FTIR)、波谱分析(1H NMR)、热分析(TGA)以及结构分析(XRD)。结果表明,所制备的羟乙基壳聚糖的摩尔醚化度为1.81,与壳聚糖相比,其晶态结构发生了改变,热稳定性略有降低,改性反应同时发生在了壳聚糖的氨基和羟基上。
　　 以制备的羟乙基壳聚糖的水溶液作涂覆液,商品化改性的PVDF膜为多孔支撑层,分别采用乙二醇二缩水甘油醚(EGDE)和环氧氯丙烷(ECH)作交联剂,制备了HECS/PVDF复合纳滤膜,并系统探讨了该纳滤膜的最佳制备条件。结果表明,EGDE交联的HECS/PVDF纳滤膜的最佳制备条件为:1.0 wt％的HECS溶液涂敷在PVDF超滤膜上,55℃烘一小时,得到的膜用EGDE/乙醇(5/500,mL/mL)作交联剂在50℃水浴下交联5小时。所制备的膜在0.7 Mpa的操作压力下,对2g/t,MgCl2的截留率达到95％以上,通量约为9Lm-2h-1。而ECH交联的HECS/PVDF纳滤膜的最佳制备条件为:1.0 wt％的HECS溶液涂敷在PVDF超滤膜上,55℃烘一小时,得到的膜用ECH/乙醇(20/500,ml/ml)交联剂在50℃水浴交联12小时。所制备的膜在0.7 Mpa的操作压力下,对2 g L-1MgCl2的截留率达到93％以上,通量约为9.5 L m-2h-1。
　　 本课题还利用红外光谱仪、扫描电镜、原子力显微镜、X射线光电子能谱和接触角测试仪等科学分析仪器对上述最佳条件下制备的膜进行了表面形态和结构的表征。结果表明,PVDF膜上成功复合上了一层微米级的致密选择层。本课题还系统地对所制备的复合纳滤膜进行了操作条件的探讨。结果表明,所制各的纳滤膜为典型的荷正电纳滤膜。此外,我们还探讨了EGDE交联的HECS/PVDF复合纳滤膜的物化稳定性,结果表明,该复合纳滤膜具有良好的耐压性、耐温性、耐强酸性、耐中等碱性、以及长期运行稳定性等。