基于聚丙烯腈(PAN)静电纺纳米纤维的醋酸纤维素(CA)复合超滤/纳滤膜的结构与性能研究

摘要

静电纺丝纳米纤维膜与传统的多孔聚合物膜相比，具有孔隙率高、孔径分布均匀和孔连通性好等优点，非常适合做复合膜基膜。本文制备了基于聚丙烯腈(PAN)静电纺纳米纤维的醋酸纤维素(CA)复合超滤/纳滤膜，并对CA/PAN复合超滤/纳滤膜的制备方法及性能进行了深入的研究。
　　 以浓度为6％、8％、10％的PAN溶液为纺丝原液制备PAN静电纺丝纳米纤维膜，扫描电镜结果显示，PAN纳米纤维膜具有相互连通的多孔结构，孔隙率及纯水通量测量结果表明，三种PAN膜均具有较高孔隙率(＞85％)和纯水通量(＞920L/m2h·psi)，并且纯水通量随PAN膜厚度的增大只有小幅度减小。以PAN静电纺丝纳米纤维膜作为支撑，在其上采用溶胶-凝胶相转化法制备一层超薄的、亲水的CA功能分离层，探讨了预蒸发时间、凝固浴（水）温度、热处理时间等制膜工艺及CA浓度对复合超滤/纳滤膜成膜性能及过滤性能的影响。
　　 将CA/PAN复合超滤膜(CA铸膜液浓度为5-15wt％)在油水乳液体系下进行超滤实验，发现随凝固浴温度上升，水通量下降，截留率上升；热处理时间越长，水通量越小，截留率越大；铸膜液中CA浓度越大，复合超滤膜越厚且致密，导致水通量减小而截留率上升。其中，CA浓度为10％的CA/PAN复合超滤膜能保证较高的截留率(＞99％)的前提下，表现出较高的水通量(142L/m2h)。与CA平板超滤膜相比，CA/PAN复合超滤膜在保证相同或更高的超滤截留率下，水通量比CA平板超滤膜高出5-10倍。
　　 将CA/PAN复合纳滤膜(CA铸膜液浓度20-25wt％)在0.05wt％的硫酸镁溶液体系下进行纳滤实验，发现预蒸发时间对膜的水通量存在极大值，截留率随着预蒸发时间的延长始终呈上升趋势，并趋于平衡；随凝固浴温度上升，复合纳滤膜水通量下降，截留率上升；随着热处理时间的延长，复合纳滤膜的通量下降，截留率上升；铸膜液中CA浓度越大，水通量减小而截留率上升；所制备的CA/PAN复合纳滤膜表面光滑平整，分离层厚度为3-5μm左右，并且能表现出相对较好的过滤性能。CA浓度为25％的CA/PAN复合纳滤膜水通量为20.3L/m2h，截留率为65.9％。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 高分子分离膜概述

1.1.1 高分子分离膜的研究进程

1.1.2 高分子分离膜的分类

1.1.3 超滤膜的分离原理及应用

1.1.4 纳滤膜的分离原理及应用

1.1.5 CA超滤/纳滤膜的研究进程

1.1.6 高分子分离膜材料发展前沿及有待解决问题

1.2 基于纳米纤维的复合膜概述

1.2.1 纳米纤维简介

1.2.2 静电纺丝法制备纳米纤维的概述

1.2.3 纳米纤维基复合膜的应用与研究进程

1.3 本论文的研究内容

第二章 实验部分

2.1 实验材料与设备

2.1.1 实验材料

2.1.2 实验设备

2.2 纳米纤维基CA复合膜的制备

2.2.1 PAN纳米纤维基膜的制备

2.2.2 CA功能分离层的制备

2.3 纳米纤维基CA复合膜的表征

2.3.1 膜形态与结构测定

2.3.2 接触角测定

2.3.3 水通量与截流率测定

2.3.4 膜孔隙率测定

2.3.5 膜力学性能测定

第三章 纳米纤维基复合超滤膜的结构与性能研究

3.1 引言

3.2 聚丙烯腈(PAN)静电纺丝纳米纤维基膜的表征

3.2.1 PAN纳米纤维的SEM表征

3.2.2 PAN纳米纤维的孔隙率及纯水通量

3.2.3 PAN纳米纤维的过滤性能

3.3 制膜工艺对复合超滤膜水通量与截流率的影响

3.3.1 凝固浴温度对复合超滤膜水通量与截流率的影响

3.3.2 热处理时间对复合超滤膜水通量与截流率的影响

3.4 CA浓度对复合超滤膜结构与性能的研究

3.4.1 CA浓度对复合超滤膜成膜形态的影响

3.4.2 CA浓度对复合超滤膜亲水性的影响

3.4.3 CA浓度对复合超滤膜的水通量与截流率的影响

3.5 纳米纤维基CA超滤膜与CA平板超滤膜的过滤性能比较

3.6 CA/PAN复合超滤膜的力学性能研究

3.7 本章小结

第四章 纳米纤维基复合纳滤膜的结构与性能研究

4.1 引言

4.2 预蒸发时间对复合纳滤膜水通量与截留率的影响

4.3 凝固浴温度对复合超滤膜水通量与截留率的影响

4.4 热处理时间对复合纳滤膜水通量与截留率的影响

4.5 CA浓度对复合纳滤膜的水通量与截流率的影响

4.6 CA/PAN复合纳滤膜的结构

4.7 纳米纤维基CA纳滤膜与CA平板纳滤膜的比较研究

4.7.1 纳米纤维基CA纳滤膜与CA平板纳滤膜的过滤性能比较

4.7.2 纳米纤维基CA纳滤膜与CA平板纳滤膜的力学性能比较

4.8 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

硕士研究生阶段发表的论文

硕士研究生阶段申请专利

致谢