纤维素/壳聚糖共混纳滤膜制备及其染料脱盐性能研究

摘要

纳滤是介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜过程，常被用于去除水溶液中的盐离子和其他小分子物质。纤维素是自然界分布最广、储量最大的可再生生物质材料，具有良好的机械性能和优良的成膜性能，已被应用于纳滤膜研究中。但由于单纯的纤维素含有丰富的供电子基团-羟基，由其所制备的纳滤膜表面呈电负性，对二价钠盐Na2SO4和小分子染料的截留率均较高，难以实现染料和二价阴离子盐的高效分离。
　　基于道南效应，荷正电型纳滤膜在一定程度上能够促进二价阴离子盐渗透通过膜，从而实现染料脱Na2SO4。现有研究中，该类纳滤膜主要通过在支撑层上涂覆荷正电分离层或膜表面接枝荷正电基团等方式来制备，但涂覆分离层会增加水分子的传质阻力，降低膜通量;而表面接枝法往往存在副反应，制备条件相对苛刻，不易控制，增加制膜步骤。相比于涂覆法和接枝法，共混法简单易行，且能综合不同材料的优点，因此广泛应用于膜改性研究中。作为自然界中另一类储量大、可再生的生物质材料，壳聚糖含有大量的氨基基团，呈较高的正电性，且其结构与纤维素相似，二者相容性良好，因此将二者共混有望制备荷正电纳滤膜。
　　基于此，本文以微晶纤维素(CEL)、壳聚糖(CS)作为膜材料，离子液体1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐(EMIMAc)作为溶剂，二甲基亚砜(DMSO)作为共溶剂，采用相转化法成功制备了纤维素/壳聚糖共混荷正电纳滤膜。以膜的渗透通量和膜对染料的截留率为评价指标，优化了制备条件;通过表征膜表面结构和性质，考察了铸膜液组成对膜结构和性质的影响;测试膜对不同染料和无机盐混合水溶液的分离性能，评价了膜的染料脱盐性能;探究了压力、料液温度、染料浓度、无机盐浓度等因素对共混膜染料脱盐性能的影响。具体内容和结论如下:
　　(1)纤维素/壳聚糖纳滤膜的制备:以水通量和染料截留率为评价指标，考察聚合物浓度、CEL与CS共混比对膜分离性能的影响，获得了最佳铸膜液浓度和聚合物比。结果表明:随着膜中壳聚糖含量的增加水通量升高;铸膜液中DMSO的含量越高，膜的通量越高;对于刚果红和盐体系的分离，最佳铸膜液溶剂质量比(EMIMAc∶DMSO)为30∶70;对于活性黑5和盐以及活性蓝19和盐体系的分离，最佳铸膜液溶剂质量比(EMIMAc∶DMSO)为50∶50;最佳染料脱盐性能下的共混膜均在中性条件下呈弱正电性。
　　(2)染料脱盐性能研究:分别以刚果红、活性黑5、活性蓝19为染料组分，以NaCl、Na2SO4为盐组分，模拟染料/盐混合物料溶液，对相关体系的最佳膜进行染料脱盐实验。结果表明:刚果红的截留率达到98％以上，活性染料的截留率达到80-90％，无机盐NaCl和Na2SO4的截留率分别在4％、1％以下，该膜具有良好的染料脱盐性能。
　　(3)膜染料脱盐机理分析:通过对共混膜表面形貌的表征可知膜表面结构致密，Zeta电位表征显示共混膜在中性条件下的电位值约2mV，呈现弱正电性。因此膜对染料的截留主要取决于筛分效应，对染料有高截留率;无机盐相对染料来说，分子尺寸小，膜对盐的截留主要依赖于道南效应，因此膜对Na2SO4、NaCl的截留率均低。共混膜对染料和盐的截留率表现出极大的差异性，可实现染料脱盐。
　　综上所述，本文在荷正电型纳滤膜能够提高Na2SO4渗透性实现染料脱盐的启示下，采用非溶剂诱导相转化法，简单地将CEL和CS共混制备了纤维素/壳聚糖共混纳滤膜，实现了含盐染料废水中染料和盐的分离，为开发应用于染料脱盐的高性能纳滤膜提供了新思路。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 纳滤膜分离技术

1．2．1 纳滤膜概述

1．2．2 纳滤膜分离机理

1．2．3 纳滤膜的制备方法

1．2．4 纳滤膜材料

1．3 纤维素

1．3．1 纤维素简介

1．3．2 纤维素材料在分离领域的研究应用

1．4 壳聚糖

1．4．1 壳聚糖简介

1．4．2 壳聚糖材料在分离领域的研究应用

1．5 研究方案的提出和研究内容

2 实验试剂、设备与方法

2．1 实验试剂

2．2 实验设备

2．3 纤维素膜和纤维素／壳聚糖共混纳滤膜的制备

2．3．2 纤维素膜和纤维素／壳聚糖共混纳滤膜的制备

2．4 膜的表面性质及结构表征

2．4．4 膜表面水接触角分析

2．5 膜的分离性能测试

2．5．1 渗透通量

2．5．2 截留率

3 纤维素／壳聚糖共混纳滤膜的制备与表征

3．1 前言

3．2 纤维素／壳聚糖共混纳滤膜的制备

3．2．1 聚合物总浓度对膜性能的影响

3．2．2 CEL和CS比例对膜性能的影响

3．2．3 DMSO和EMIMAc比例对膜性能的影响

3．2．4 铸膜液中LiCl的添加量对膜性能的影响

3．2．5 铸膜液预蒸发时间对膜性能的影响

3．3 纤维素／壳聚糖共混纳滤膜的表征

3．3．1 膜表面和断面SEM形貌分析

3．3．2 膜热稳定性(TGA)分析

3．3．3 膜表面Zeta电位分析

3．3．4 膜表面水接触角分析

3．4 本章小结

4 纤维素／壳聚糖共混纳滤膜的染料脱盐性能研究

4．1 前言

4．2 纤维素／壳聚糖共混纳滤膜的无机盐截留性能研究

4．3 纤维素／壳聚糖共混纳滤膜的染料截留性能的研究

4．4 纤维素／壳聚糖共混纳滤膜的染料脱盐性能的研究

4．4．1 纤维素／壳聚糖共混纳滤膜对活性染料脱盐性能的研究

4．4．2 纤维素／壳聚糖共混纳滤膜对直接染料脱盐性能的研究

4．4．3 操作条件对膜染料脱盐性能的影响

4．4．4 膜染料脱盐性能随运行时间变化的研究

4．5 纤维素／壳聚糖共混纳滤膜染料脱盐机理分析

4．6 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 不足与展望

参考文献

科研成果