聚丙烯腈纳米纤维/壳聚糖复合正渗透膜的结构设计

摘要

正渗透是一项极有潜力的膜分离技术，它具有能源消耗低、分离效率高且分离范围广、膜污染趋势低以及产水率高等优越的性能，因而在海水淡化、食品浓缩、工业废水处理、发电、药物控制释放等工业实用领域有着广阔的发展空间。而纳米纤维膜由于其内部联通的孔结构、较低的弯曲度和较大的孔隙率，这些结构特性极其适合作为正渗透膜的支撑层，人们通过实验用纳米纤维膜为支撑层所制备的正渗透膜普遍获得了很低的结构系数和较高的水通量。为了解决纳米纤维膜机械性能差表面粗糙度高等问题,本课题探究了一系列的方案对聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜进行表面改性和结构设计，首先对PAN纳米纤维膜进行表面亲水改性，随后在纳米纤维膜的基础上组装一层壳聚糖(CS)过渡层，并对所得到的膜进行了一系列的测试和表征。
　　通过对所制备的疏水性纳米纤维膜进行表面改性以及工艺参数的调整，我们发现，当水解时间为30min时，水解反应主要发生在纤维的表层，纳米纤维膜机械性能基本维持在原来的水平，且纤维表面已经基本达到完全水解，纳米纤维膜表面的接触角从95°下降到11°，而拉伸断裂强度仅从7.5MPa下降到6.4MPa。实现了在基本不损失机械性能的条件下完成了纳米纤维膜的表面亲水改性，有利于内浓差极化的缓解和水通量的提高。
　　引入不同浓度壳聚糖过渡层之后，纳米纤维膜的表面孔洞被壳聚糖过渡层填补，表面粗糙度随壳聚糖浓度的提高而持续降低，而复合纳米纤维支撑层的机械强度也随着壳聚糖过渡层的引入出现了极大的提升，拉伸强度达到30MPa以上，杨氏模量达到90MPa以上。以此基膜制备的正渗透膜在正渗透模式（活性层面向原料液）下的渗透通量达到60L/(m2·h)以上，在壳聚糖浓度为3.5％时，正渗透膜对NaCl的截留率最高达到了97％，盐的渗透通量仅有0.93g/(m2·h)。
　　通过对PAN/CS纳米纤维复合正渗透膜的结构表征以及过滤性能测试可知，该方法基本解决了纳米纤维为支撑层的正渗透膜目前所存在的问题，在获得了较高的水通量以及极低的盐渗透通量的同时，使膜保持了较高的机械性能，提高了膜的耐用性和使用寿命。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 正渗透概述

1．1．1 正渗透原理

1．1．2 正渗透面临问题

1．2 正渗透的应用领域

1．2．1 海水淡化

1，2．2 便携式净水袋

1．2．3 食品工业

1．2．4 正渗透发电

1．3 纳米纤维在正渗透膜领域的应用

1．3．1 纺丝材料

1．3．2 纺丝工艺

1．3．3 后处理

1．4 本课题的研究内容、目的和意义

第二章 实验材料、设备及测试原理

2．1 实验试剂与实验仪器

2．1．1 实验药品试剂

2．1．2 实验仪器设备

2．2 膜的表征测试

2．2．1 表面结构性能测试

2．2．2 内部结构性能测试

2．2．3 机械性能测试

2．2．4 渗透及过滤性能测试

第三章 PAN纳米纤维膜的制备以及表面改性

3．1 静电纺技术简介

3．1．1 静电纺的原理及现状

3．1．2 静电纺丝过程的影响因素

3．2 PAN静电纺纳米纤维膜的制备

3．2．1 PAN纺丝液的制备

3．2．2 静电纺丝

3．2．3 纳米纤维表面改性

3．3 PAN纳米纤维膜的性能表征

3．4 水解时间对纳米纤维膜结构性能的影响

3．4．1 宏观形貌

3．4．2 微观形貌

3．4．3 机械性能

3．4．4 亲水性

3．5 本章小结

第四章 PAN／CS复合支撑层的制备及性能表征

4．1 PAN／CS复合支撑层的制备

4．1．1 壳聚糖铸膜液的配置

4．1．2 壳聚糖过渡层的组装

4．2 复合支撑层的表面结构及性能

4．2．1 表面形貌分析

4．2．2 表面粗糙度分析

4．2．3 表面亲水性分析

4．3 内部结构性能

4．3．2 X-射线衍射分析

4．4 机械性能分析

4．5 本章小结

第五章 聚酰胺选择层的制备以及正渗透膜的性能分析

5．1 聚酰胺选择层的制备

5．2 复合正渗透膜的表面形貌分析

5．3 复合正渗透膜的选择及透过性能分析

5．3 正渗透性能分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

论文及参加科研情况

致谢