羧甲基壳聚糖和磷酸酯化聚乙烯醇复合纳滤膜的制备和表征

摘要

纳滤（NF）膜的截留分子量（MWCO）介于200-1000 Da，它可以有选择性地高效截留水体中的无机盐离子、有机小分子、细菌和病菌等。目前主流商品化的NF膜是荷电的复合NF膜，按所带电性可分为荷正电、荷负电及两性复合NF膜。
　　羧甲基壳聚糖（CMCS）是壳聚糖的一种水溶性两性衍生物，其分子结构上含有大量的COO-。磷酸酯化聚乙烯醇（PPVA）是聚乙烯醇的磷酸酯化后的产物。其分子结构上含有大量的PO3-4。在本研究中以CMCS和PPVA作为复合NF膜的表面活性材料，以乙二醇二缩水甘油醚（EGDE）作为交联剂，30000 Da聚砜超滤膜（PSF UF）为基膜，利用涂覆交联的方法，在一定的制备工艺下制备了CMCS/PSF和PPVA/PSF两种新型NF膜。利用衰减全反射红外光谱（ATR-IR）、环境扫描电子显微镜（ESEM）、静态接触角测量仪等仪器对其结构、形貌和膜表面的亲水性进行了表征，并研究了其最佳的制备条件及各种外界操作因素对最佳条件制备的膜的分离性能的影响。
　　以5 mmol/L的Na2SO4作为料液。研究发现，CMCS/PSF系列复合NF膜最佳的制备工艺条件为：铸膜液的浓度为2 wt％，交联剂的浓度为5 vol%，交联反应的温度为70℃，交联反应的时间为25 min。最佳制备条件下，随着压力的升高，CMCS/PSF复合NF膜的截留率先升高，后降低，通量则几乎呈线性递增。随着料液流量的增大，CMCS/PSF复合NF膜的截留率和通量均先降低后升高。CMCS/PSF复合 NF膜对不同盐截留率按从大到小的顺序为：Na2SO4、NaCl、KCl、MgSO4、MgCl2，且对Na2SO4和NaCl的截留率和通量均会随着盐浓度的升高而降低。随着甘油质量分数的提高，CMCS/PSF复合NF膜的截留率先下降后升高，通量表现和截留率相反，先升高后下降。
　　研究发现，PPVA/PSF系列复合 NF膜的最佳制备条件为：铸膜液浓度为1 wt%，交联剂浓度为20 vol%，交联反应温度为75℃，交联反应时间为30 min。随着压力的升高，最佳制备条件下制备的PPVA/PSF复合NF膜的截留率先升高，后降低，通量则几乎呈线性递增。随着料液通量的增大，最佳条件下制备的PPVA/PSF复合NF膜的截留率和通量均先降低后升高。PPVA/PSF复合NF膜对不同盐截留率从大到小的顺序为：Na2SO4、NaCl、KCl、MgSO4、MgCl2，且对Na2SO4和NaCl的截留率和通量均会随着盐浓度的升高而降低。随着甘油质量分数的提高，PPVA/PSF复合NF膜的截留率呈线性下降，通量线性增长。
　　在外界操作压力为0.4 MPa，料液通量为0.9 L/min和室温的条件下PPVA/PSF复合 NF膜对仿真海水的截留率能达到75%以上，通量达到7.6 kg·m-2·h-1以上。表明在分离海水的过程中可以将海水看作为一种“综合性的无机盐”。PPVA/PSF复合NF膜对三种典型的有机染料也具有较好的分离性能。其中对3 mg/L的碱性品红的截留率和通量分别为93.4%和13.2 kg·m-2·h-1。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 膜和膜分离过程简介

1.2 NF及NF膜

1.3 NF膜的应用

1.4 壳聚糖及其衍生物

1.5 聚乙烯醇及磷酸酯化聚乙烯醇

1.6 本课题研究意义、目标及主要任务

第2章 CMCS复合NF膜的制备和表征

2.1 实验试剂与仪器

2.2 EGDE交联的CMCS复合纳滤膜的制备

2.3 CMCS/PSF复合NF膜最佳的制膜工艺条件

2.4 CMCS和CMCS—EGDE衰减全反射红外光谱分析

2.5 CMCS/PSF复合NF膜的表面和截面形貌

2.6 相关膜表面接触角的表征

2.7 外界操作条件对CMCS/PSF复合NF膜分离性能的影响

2.8 CMCS/PSF 复合NF膜的截留分子量

2.9 本章小结

第3章 PPVA/PSF复合NF膜的制备和表征

3.1 实验试剂及仪器

3.2 PPVA/PSF复合NF膜的制备

3.3 最佳制膜条件的探索

3.4 PPVA和PPVA—EGDE的衰减全反射红外光谱分析

3.5 PPVA/PSF复合NF的表面和截面形貌

3.6 相关膜表面接触角的表征

3.7 外界操作条件对PPVA/PSF复合NF膜分离性能的影响

3.8 本章小结

第4章 CMCS/PSF和PPVA/PSF复合NF膜的应用

4.1 配置仿真海水

4.2 各种操作因素对CMCS/PSF复合NF膜分离仿真海水的影响

4.3 各种操作因素对PPVA/PSF复合NF膜分离仿真海水的影响

4.4 PPVA/PSF复合NF膜对几种有机染料的分离性能

4.5 本章总结

第5章 总结与展望

参考文献

致谢

个人简历及在校期间发表的学术论文及研究成果