基于均苯三甲酰哌嗪的超薄高交联纳滤膜的研制

摘要

为了克服常规单因素膜性能改进存在的trade-off现象，制备出具有均衡分离性能的纳滤复合膜，本课题设计、合成了具有支化三亚胺结构的新型水相单体均苯三甲酰哌嗪(TMPIP)对界面聚合过程进行调控，并以聚砜超滤膜为支撑膜制备得到均苯三甲酰氯(TMC)/TMPIP纳滤复合膜。在此基础上，表征了TMC/TMPIP复合膜形貌结构、化学组成及表面荷电性，提出了其成膜及膜性能提高机理;考察了该膜对非荷电有机物与盐离子的分离性能以及耐氯性;最后，研究了制膜工艺及操作条件对该膜性能的影响。具体实验结果如下:
　　(1)采用官能团保护法，以TMC及1-甲醛哌嗪为原料经两步反应合成TMPIP水相单体，通过FTIR、1H NMR、XPS等表征手段证实合成产物结构与预期相符合。Free-standing法制膜实验表明新合成的TMPIP具有与传统水相单体哌嗪(PIP)一样优异的成膜性能，可以迅速与TMC聚合形成完整且极薄的聚哌嗪酰胺薄膜，可以用于后续复合膜的制备。
　　(2)以聚砜超滤膜为支撑，经界面聚合法制备了TMC/TMPIP复合膜。XPS及SEM表征结果表明:TMC/TMPIP复合膜具有比传统TMC/PIP复合膜皮层交联网络结构更显著的分离皮层。由于更薄、更致密的皮层，TMC/TMPIP复合膜对PEG200水溶液的分离性能(R=86.0％，F=35.8 L·m-2·h-1)均比TMC/PIP复合膜(R=82.7％，F=27.4 L·m-2·h-1)更好。对Na2SO4、 MgSO4、 NaCl及MgCl2四种盐的分离性能测试表明，TMC/TMPIP为典型荷负电聚哌嗪酰胺纳滤复合膜，与TMC/PIP具有相同的截留顺序，并且前者的通量和截留率也均高于后者。耐氯性能测试证明得益于相同的碳骨架结构，TMC/TMPIP膜继承了TMC/PIP膜的强耐氯性能。
　　(3)通过考查制膜工艺对膜性能的影响，确定在TMC浓度0.1％(w/v)、TMPIP浓度1.3％(w/v)、后处理温度为50-60℃、水相pH值11-12时制备得到的复合膜性能较优。此外，纳滤操作过程中操作压力、料液浓度、料液pH也对膜性能有较大的影响，选择合适的操作条件有利于实现操作过程的经济性。
　　上述研究结果表明，具有支化三亚胺结构且分子尺寸较大的TMPIP水相单体，可以对界面聚合成膜过程中皮层厚度及交联度这两个相对独立因素进行调控，形成相比传统TMC/PIP复合膜更薄、交联网络结构更显著的分离皮层。并且，在这两个因素的互补叠加效应作用下，使通量和截留率得到了双重提高。本研究证明双因素调控是行之有效的膜性能改进方法。

目录

声明

致谢

摘要

引言

第一章 绪论

1．1 纳滤

1．1．1 纳滤膜特点

1．1．2 纳滤膜分离机理及传质模型

1．1．3 纳滤膜制备技术

1．1．4 纳滤膜材料

1．1．5 纳滤膜应用

1．2 国内外膜性能改进方法研究进展及存在问题

1．2．1 国内外膜性能改进方法研究进展

1．2．2 存在的主要问题

1．3 课题提出和研究方案

第二章 TMPIP水相单体设计合成、表征及其成膜性的初步考察

2．1 前言

2．2 实验材料

2．3 实验设备

2．4 实验方法

2．4．1 水相单体TMPIP的合成方法

2．4．2 TMPIP盐酸盐的表征

2．4．3 TMPIP成膜性能的考察

2．5 结果与讨论

2．5．1 熔点测定

2．5．2 FTIR

2．5．3 1H NMR

2．5．4 XPS

2．5．5 TMPIP成膜性能初步考察

2．6 小结

第三章 TMC／TMPIP超薄纳滤复合膜的制备及结构与性能关系的研究

3．1 前言

3．2 实验材料

3．3 实验设备

3．3．1 实验设备

3．3．2 膜性能评价装置

3．4 实验方法

3．4．1 复合膜的制备

3．4．2 复合膜的表征

3．4．3 复合膜对盐溶液分离性能测试

3．4．4 复合膜对PEG 200水溶液分离性能测试

3．4．5 复合膜耐氯性能测试

3．5 结果与讨论

3．5．1 TMC／TMPIP复合膜FTIR表征

3．5．2 TMC／TMPIP复合膜XPS表征

3．5．3 TMC／TMPIP复合膜SEM表征

3．5．4 TMC／TMPIP复合膜表面Zeta电位表征

3．5．5 TMC／TMPIP复合膜对PEG 200的截留性能

3．5．6 TMC／TMPIP复合膜对不同类型盐溶液的分离性能

3．5．7 TMC／TMPIP纳滤复合膜的耐氯性能测试

3．6 小结

第四章 制膜工艺和操作条件对TMC／TMPIP复合膜性能的影响

4．1 前言

4．2 实验材料

4．3 实验设备

4．4 实验方法

4．5 结果与讨论

4．5．1 TMC浓度对TMC／TMPIP纳滤复合膜性能的影响

4．5．2 TMPIP浓度对TMC／TMPIP纳滤复合膜性能的影响

4．5．3 水相溶液pH对TMC／TMPIP纳滤复合性能的影响

4．5．4 后处理温度对TMC／TMPIP纳滤复合膜的影响

4．5．5 操作压力对TMC／TMPIP纳滤复合膜的影响

4．5．6 料液浓度对TMC／TMPIP纳滤复合膜的影响

4．5．7 料液pH对TMC／TMPIP纳滤复合膜的影响

4．6 小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

作者简历