二氧化钛/聚酰胺反渗透复合膜的制备及表征

摘要

人类的生存依赖于淡水，但是现在淡水资源的匮乏却日益严重，为农业、工业和生活提供清洁用水已成为各国政府亟待解决的问题之一。反渗透膜技术是目前发展最成熟、应用最广泛的水处理技术之一，随着反渗透技术的进一步发展，人们对反渗透膜提出了更高的要求，因此研发具有更高性能的新型反渗透膜材料成为了反渗透技术的重点。将无机粒子引入有机膜中制备的无机/有机杂化膜，把无机组分与有机膜的优点巧妙的结合在一起，使得无机/有机杂化膜成为了反渗透膜发展的新方向。二氧化钛(TiO2)具有光催化性和亲水性，被广泛用在解决环境问题中，在本论文将TiO2添加到聚酰胺复合膜中，将TiO2与聚酰胺复合膜的优势结合起来，以期改善聚酰胺复合膜的结构和性能。
　　 本论文中使用了两种不同的方法制备了锐钛矿型二氧化钛，并对这两种合成方法进行了初步的条件探索。扫描电子显微镜(SEM)图显示：方法A所合成样品TiO2-A颗粒呈类球形，粒径较小，约为200 nm；方法B合成的TiO2-B颗粒呈球形，分散性较好，粒径约为600 nm。X射线衍射图(XRD)证实所合成的二氧化钛样品为锐钛矿型，方法A所合成样品纳米晶粒径为11 nm，方法B所合成样品纳米晶粒径为9.9 nm。
　　 将制备的TiO2-A和TiO2-B分别添加到了聚酰胺反渗透复合膜中，其中TiO2-A采用了两种不同的方式(TiO2-A分散在水相中或油相中进行界面聚合)添加到复合膜中。结果表明，TiO2-A的添加增大了复合膜的水通量，与TiO2-A分散在水相中的方式相比，TiO2-A分散在油相中的方式能更好的改善膜的分离性能和膜的结构，TiO2-A在油相中的最佳添加量为0.03％(w/v)，此时水通量达到了40.8 L·h-1·m-2，截盐率为98.3％。膜表面和断面的SEM图显示：TiO2-A分散在水相中制备的TiO2-A/聚酰胺复合膜中TiO2主要存在于聚砜基膜的指状孔道中，膜表面的峰谷状结构减少；TiO2-A分散在油相中制备的TiO2-A/聚酰胺复合膜表面峰谷状结构明显，在膜表面可以看到有TiO2-A颗粒的出现。能量弥散光谱(EDS)证实TiO2-A颗粒被成功的添加到聚酰胺复合膜中。TiO2-B采用分散在油相中的方式添加在复合膜中，结果表明，TiO2-B的添加也可以增大复合膜的水通量，TiO2-B的最佳添加量也是0.03％(w/v)，此时水通量为36.6 L.h-1.m-2，截盐率为97.5％；EDS图与膜表面SEM图的结果与分散在油相中的TiO2-A聚酰胺复合膜相似。由此可知，TiO2的添加可以提高膜的分离性能(水通量)，改善膜结构。
　　 TiO2-A聚酰胺复合膜应用在正渗透过程中的研究结果表明，TiO2-A分散在油相中能更好的改善复合膜在正渗透过程中的分离性能，水通量为纯聚酰胺复合膜的二倍，截盐率为99.9％。TiO2-A/聚酰胺反渗透复合膜的污染实验表明，TiO2-A的添加减缓了聚酰胺反渗透复合膜因污染导致的水通量衰减；抑菌实验表明，TiO2添加到聚酰胺复合膜中可以使膜具有抑菌性，改善膜的耐污染性。