金属络合交联聚酰亚胺基的超薄复合膜的制备及有机溶剂纳滤应用

摘要

有机溶剂纳滤（OSN）是压力驱动的，用于从有机溶剂中分离分子量为200-1000g/mol溶质的膜分离过程。传统的以聚酰胺（PA）作为选择层的薄膜复合（TFC）膜是目前OSN膜的主要类型，对于TFC OSN膜来说，在有机溶剂中具有良好的耐溶剂性能是能维持其在实际工业中稳定运行的前提，PA选择层通常在大部分有机溶剂中具有很好的耐受性因而可以满足在OSN应用中的稳定性需求，但是基膜的耐溶剂性能也是决定TFC膜在OSN实际应用的重要因素。通常对聚合物基膜进行化学交联可以提高其耐溶剂性和性能稳定性。然而，由于聚合物链的收紧形成更致密的微观结构，往往导致渗透通量的降低。到目前为止，通过化学交联来有效权衡OSN膜的渗透性与选择性还是亟需解决的问题。为此，本论文采用金属离子络合交联来提高聚酰亚胺（PI）基膜的耐溶剂能力。研究了金属离子络合交联对PI基TFC OSN膜的渗透性与选择性的影响，为金属离子交联的聚合物用于OSN领域提供了新的思路。　　首先，开发了一种新型的Ca2+络合交联PI基TFC膜。PI膜首先在碱凝固浴中部分水解，得到含羧酸根离子的聚酰胺酸盐。而且部分水解的PI层的进一步刻蚀可以有效地调节基膜的孔径，从而得到优化的微观形貌，获得更高的渗透通量。随后Ca2+基于水解PI膜中的羧酸根离子的络合作用形成的交联结构能进一步提高膜的耐溶剂性能和亲水性。探究了碱凝固浴时间，Ca2+交换以及后续溶剂活化这些影响因素。经过条件优化后的TFC膜打破了传统TFC OSN膜渗透性与选择性之间的权衡效应，显示出优异的分离性能。　　其次，金属离子交联在提升基膜和选择层之间的界面稳定性中得到了应用。由于Fe3+通常具有很强的络合能力，其能与单宁酸、植酸等小分子形成稳定的络合物，所以本工作中选用Fe3+离子作为整体金属离子交联剂展开研究。将以碱凝固浴的PI基TFC膜用FeCl3的乙醇溶液进行后处理交联，克服了FeCl3的水溶液具有的强酸性对膜的破坏，得到Fe3+整体络合交联PI基TFC膜。通过化学表征证实了Fe3+能与碱处理后的PI基膜和PA选择层之间形成络合作用。与Fe3+部分络合交联PI基TFC膜相比，Fe3+整体络合交联PI基TFC膜有着更好的OSN性能。探究了Fe3+浓度对TFC膜分离性能的影响，结果可以发现Fe3+浓度的不同，对膜表面亲疏水性、表面形貌等影响程度也不同，从而导致TFC膜有着不同的OSN性能。优化后的TFC膜在大多数有机溶剂中有着很好的稳定性，在醇类溶剂中也有着良好的分离性能。

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