基于PES平板膜的PA/MPD双层复合膜制备及其分离性能研究

摘要

膜分离是利用具有选择透过作用的膜作为分离介质，依靠膜两侧浓度差、化学位差或者压力差作为推动力，对混合液中的某组分进行有选择的透过膜，截留混合液中的其他组分，已达到分离、提纯、浓缩等目的。凭借着其分离过程简单、便于操作、无二次污染等优势，在水处理、食品加工、生物制药等领域得到了广泛的应用。膜过滤过程能耗低、效率高等优势被广泛应用在水处理中。然而，随着分离体系越来越复杂，在实际应用中过滤膜也会存在低通量、选择性差的问题。因此从膜制备的方法入手，研究膜结构以及分离性能具有重要意义。　　本课题采用聚醚砜(PES)平板膜作为支撑层、哌嗪(PIP)作为水相单体、对苯二甲酰氯(TPC)作为有机相单体、间苯二胺(MPD)作为第二水相单体。第一次界面聚合生成的聚酰胺(PA)通过二次界面聚合制备PA/MPD双层复合膜。采用表面接触角测试仪、Zeta电位测试仪、傅里叶红外光谱仪、扫描电镜等仪器对膜表面的形貌结构、化学组成、亲水性以及荷电性等进行表征。使用错流分离测试对比单层复合膜与PA/MPD双层复合膜的分离性能。得出以下结论:　　(1)利用一次界面聚合形成的疏松PA分离层上残留的酰氯基团与MPD水相进行二次界面聚合，可制备得到PA/MPD双层复合膜。红外光谱表明，二次界面聚合是MPD分子上的氨基与PA分离层上的残留酰氯进行反应生成致密的MPD分离层，Zeta电位和膜表面静态接触角测试表明，生成的MPD分离层使得膜的复合荷电量增多，电负性增强同时降低了亲水性。红外光谱表明二次界面聚合是MPD分子上的氨基与PA分离层上的残留酰氯进行反应生成致密的MPD分离层。　　(2)与疏松的PA单层膜相比，PA/MPD双层复合膜具有更小的孔径，膜表面电负性和截留能力都得到提升。孔径从1.150nm降低为0.839nm;截留分子量也从460Da降低到270Da。与致密PA单层膜相比，在同等截留率的情况下PA/MPD双层复合膜的渗透通量更高:在截留率为85％时，PA/MPD双层复合膜的通量是致密PA单层膜的1.44倍;在通量为42L·-2·h-1时，PA/MPD双层复合膜相比于致密PA单层膜在截留率上增加了18.5％，达到了93.1％。经过长时间的过滤测试，PA/MPD双层复合膜表现出良好的过滤稳定性。　　(3)对染料进行分离试验发现，PA/MPD双层复合膜与致密PA单层膜对染料都具有很高的截留能力。但在初始时的通量和通量的损失等方面分析，PA/MPD双层复合膜具有更高的初始通量和更小的通量衰减，所以对染料的分离能力更强。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1膜种类和膜材料

1．2纳滤膜的制备方法

1．2．1相转化法

1．2．2共混法

1．2．3复合法

1．2．4荷电化法

1．3膜性能提升

1．3．1支撑层优化

1．3．2水相溶液优化

1．3．3有机相溶液优化

1．3．4复合膜表面优化

1．4研究内容和意义

1．4．1主要内容

1．4．2研究意义

第二章PES平板支撑膜及疏松PA单层膜的制备

2．1实验材料与实验仪器

2．2 PES平板支撑膜的制备

2．3疏松PA单层膜的制备

2．4膜选择分离性能评价

2．4．1渗透通量的测定

2．4．2膜截留率测定

2．5实验结果与讨论

2．5．1反应时间对疏松PA单层膜的影响

2．5．2反应温度对疏松PA单层膜的影响

2．5．3 PIP浓度对疏松PA单层膜的影响

2．5．4添加剂PVA浓度对疏松PA单层膜的影响

2．6本章小结

第三章PA／MPD双层复合膜的制备及表征

3．1实验材料与实验仪器

3．2 PA／MPD双层复合膜制备

3．3复合膜的表征

3．3．1扫面电子显微镜(SEM)分析

3．3．2傅里叶红外光谱仪分析(ATR FTIR)

3．3．3静态膜表面接触角测试

3．3．4膜表面Zeta电位测试

3．4实验结果与讨论

3．4．1反应温度和浓度对PA／MPD双层复合膜性能的影响

3．4．2 PA／MPD双层复合膜与PA单层膜截留能力对比

3．4．3扫描电子显微镜分析

3．4．4傅里叶变换衰减全反射红外光谱分析

3．4．5膜表面静态接触角测定

3．4．6膜表面Zeta电位分析

3．5本章小结

第四章双层复合膜与单层复合膜选择分离性能对比研究

4．1实验材料与实验仪器

4．2复合膜选择分离性能评价

4．2．1截留分子量的测定

4．2．2复合膜对有机化合物分离性能测试

4．3实验结果与讨论

4．3．1截留分子量(MWCO)的测定

4．3．2复合膜对不同种类的无机盐的分离能力

4．3．3主体溶液浓度对复合膜截留能力影响

4．3．4操作压力对复合膜截留能力影响

4．3．5复合膜对染料的分离效率测试

4．3．6 PA／MPI)双层复合膜稳定性测试

4．4本章小结

第五章总结与展望

5．1总结

5．2展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢