聚丙烯腈基耐溶剂纳滤膜的制备及性能研究

摘要

聚丙烯腈（PAN）作为一种廉价的聚合物，常用于制备高分子有机膜，其具有优异的化学稳定性和良好的成膜性。采用非溶剂相转化（NIPS）法制备的非对称膜，在液体分离领域都有广泛的研究。其中，近年来纳滤膜分离技术在非水体系中的应用，日益引起人们的重视，因此耐溶剂纳滤膜分离技术则成为膜分离领域学者研究的热点。而针对整体非对称耐溶剂纳滤膜的制备、改性、表征及应用的研究备受学者关注。 本文以耐高温柔性多孔材料为支撑体，以提高PAN膜的机械强度，制备了柔性支撑混合基质热交联膜，系统考察热交联工艺参数对混合基质膜结构与性能的影响；针对混合基质热交联膜渗透通量较低的问题，采用共混的方法对其改性，系统研究了共混聚合物的种类及含量对超滤膜结构和性能的影响；采用优化后的配方，最佳的热交联工艺制得大通量的柔性支撑共混改性的混合基质热交联膜，取得了如下研究成果： （1）TiO2/PAN混合基质膜的玻璃态转变温度为94-100℃。热交联工艺条件中，热交联温度对膜结构和性能的影响至关重要。温度在玻璃态转变温度之上，TiO2/PAN混合基质膜会发生交联反应，孔径会发生收缩：①100-150℃主要为物理收缩，孔结构出现热熔并，且温度越高，热熔并程度越高，而这导致膜通量下降；同时，这一阶段分子间交联反应进行的较慢；②150℃以上开始发生化学收缩，即PAN线性分子链转化为梯形结构过程中的合理收缩，交联程度随温度升高而增大，孔结构进一步热熔并，通量继续下降。与此同时，膜对Na2SO4的截留率随着温度的升高而下降，这可能是热熔并过程中大部分孔收缩甚至消失，但由于支撑体的存在，膜热收缩会出现少部分大孔。在低温阶段改变恒温时间对膜结构和性能影响不大。 （2）通过PMMA和PVAc两种共混聚合物对TiO2/PAN混合基质膜进行共混改性的方式，能够在混合基质膜内有效的致孔，从而提高膜的孔隙率和渗透通量，而对BSA的截留率变化不大。同时，通过共混改性的方法，能有效降低膜的多孔亚层厚度，在膜内出现球形孔，改善了膜的孔结构。 （3）柔性支撑共混改性混合基质膜通量较未改性的膜有较大的提升，而对BSA的截留率能保持不变。热交联后，纯水通量分别为相同工艺条件下第三章热交联膜通量的13.71和4.13倍。但对Na2SO4截留率降低幅度较大，截留率分别为15%和20%左右。由于膜孔径较大，对处理染料废水具有较好的性能，对孟加拉玫瑰红的截留率分别在93%和98%左右。

目录

声明

引言

1 文献综述

1.1 膜分离技术

1.1.1 膜的定义

1.1.2 膜的分类

1.1.3 膜分离技术概述

1.2 超滤

1.2.1 超滤技术概述

1.2.2 超滤分离原理

1.2.3 超滤膜的制备

1.2.4 聚丙烯腈材料

1.3 超滤膜的改性

1.3.1 混合基质膜概述

1.3.2 混合基质改性对膜结构和性能的影响

1.3.3 共混膜概述

1.3.4 共混改性对膜结构和性能的影响

1.4 耐溶剂纳滤

1.4.1 耐溶剂纳滤膜概述

1.4.2 耐溶剂纳滤膜的制备

1.4.3 热交联技术

1.5 本论文的主要研究思路

2 实验部分

2.1 主要实验药品及设备

2.2 膜的制备

2.2.1 柔性支撑混合基质膜的制备

2.2.2 柔性支撑混合基质热交联膜的制备

2.2.3 共混改性混合基质膜的制备

2.2.4 柔性支撑共混改性混合基质膜的制备

2.2.5 柔性支撑共混改性混合基质热交联膜的制备

2.3 表征方法

2.3.1 膜的渗透性能测试

2.3.2 膜的微观形貌结构表征

2.3.3 膜的热分析

2.3.4 铸膜液粘度的测定

2.3.5 纯水接触角测试

2.3.6 傅立叶红外光谱测试

2.3.7 孔隙率的测定

2.3.8 耐溶剂性能考察

3 PAN柔性支撑混合基质膜的热交联研究

3.1 原膜的超滤性能表征

3.2 混合基质膜的热分析

3.3 原位红外分析

3.4 热交联温度对柔性支撑混合基质热交联膜结构和性能的影响

3.4.1 热交联温度对TiO2/PAN混合基质热交联膜宏观形貌的影响

3.4.2 热交联温度对TiO2/PAN混合基质热交联膜化学结构的影响

3.4.3 热交联温度对TiO2/PAN混合基质热交联膜孔结构的影响

3.4.4 热交联温度对TiO2/PAN混合基质热交联膜耐溶剂性能的影响

3.4.5 热交联温度对TiO2/PAN混合基质热交联膜的渗透性能的影响

3.5 热交联恒温时间对柔性支撑混合基质热交联膜结构和性能的影响

3.5.1 不同热交联时间对TiO2/PAN混合基质热交联膜宏观形貌的影响

3.5.2 不同热交联时间TiO2/PAN混合基质热交联膜的纳滤渗透性能

3.6 本章小结

4 共混改性对混合基质膜结构与性能的影响

4.1 聚合物对铸膜液体系粘度的影响

4.2 共混改性混合基质膜中共混聚合物的存在情况

4.2.1 共混改性混合基质膜化学结构

4.2.2 共混改性混合基质膜的热重曲线

4.3 共混改性混合基质膜的微观结构

4.3.1 PAN/TiO2/PMMA共混改性混合基质膜的微观结构

4.3.2 PAN/TiO 2/PVAc共混改性合基质膜的微观结构

4.4 共混改性混合基质膜的孔隙率和接触角

4.4.1 PAN/TiO2/PMMA共混改性混合基质膜的纯水接触角和孔隙率

4.4.2 PAN/TiO2/PVAc共混改性混合基质膜的纯水接触角和孔隙率

4.5 共混改性混合基质膜的渗透性能

4.5.1 PAN/TiO2/PMMA共混改性混合基质膜的渗透性能

4.5.2 PAN/TiO2/PVAc共混改性混合基质膜的渗透性能

4.6 相同聚合物含量共混改性膜与PAN混合基质膜渗透性能对比

4.7 本章小结

5 柔性支撑共混改性混合基质热交联膜的性能研究

5.1 柔性支撑共混改性混合基质膜的结构与性能

5.2 柔性支撑共混改性混合基质热交联膜的孔结构

5.2.1 柔性支撑共混改性混合基质热交联膜的热收缩

5.2.2 柔性支撑共混改性混合基质热交联膜的微观形貌

5.3 柔性支撑共混改性混合基质热交联膜的化学结构

5.4 柔性支撑共混改性混合基质热交联膜的分离性能研究

5.4.1 柔性支撑共混改性混合基质热交联膜纳滤性能研究

5.4.2 柔性支撑共混改性混合基质热交联膜处理染料废水性能研究

5.5 相同工艺条件下三种膜的性能对比

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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