金属有机框架材料用于油水分离膜的制备及其性能研究

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本研究将具有优异水稳定性及水吸附性能的金属有机框架(metal organic framework,MOF)材料引入油水分离膜制备中,并通过有机亲水高分子对其进行改性。通过MOF材料与有机或无机材料的协同作用,增强膜表面亲水性,同时赋予膜表面微纳复合结构,进而提高膜的渗透性能与抗污染性能。具体研究工作如下:通过水热合成法制备UiO-66-NH2颗粒,再通过氨基与聚丙烯酸(polyacrylic acid,PAA)侧链羧基的反应实现交联与亲水改性双重作用。以UiO-66-NH2@PAA颗粒为成膜材料,通过真空辅助自组装的方法制备了高亲水性、水下超疏油的油水分离膜。UiO-66-NH2良好的水吸附性能、膜表面丰富的亲水基团,以及较高的表面粗糙度,强化了膜表面水化层的形成,提高了膜稳定性与抗污染性能。UiO-66-NH2(1)@PAA膜的通量为2337 L m-2h-1 bar-1,总通量恢复率为86%。引入具有二维片层结构的氧化石墨烯(graphene oxide,GO)材料,通过水热合成法制备了UiO-66-NH2@GO材料,用亲水高分子对其进行修饰后,将其作为插层材料,与GO按一定比例混合,采用真空辅助自组装的方法制备了GO-UiO-66-NH2@GO-PAA膜,增大GO纳米片片层间距的同时保证膜稳定性。而PAA材料起到了对纳米片的交联以及亲水改性的双重作用,提高了膜的稳定性与抗污染性能。因此GO-UiO-66-NH2@GO-PAA膜显示出了长期稳定高效的油水分离性能。GO15-UiO-66-NH2@GO15-PAA膜的通量提升至5067 L m-2h-1 bar-1,同时总通量恢复率提高至92%。以UiO-66-NH2@GO膜为基底,通过仿生粘合的方法对其进行修饰,通过共沉积或二次沉积的方法,使用聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone,PVP)对膜表面进行进一步的亲水改性。有效减低膜厚度,提高分离层孔隙率的同时,保证了膜长期稳定性。膜表面的亲水化学结构与微纳复合结构协同作用,赋予了膜表面较高的亲水性和水下超疏油特性,降低油滴对膜表面的粘附力,因此膜抗污染性能得到了大幅度提升。UiO-66-NH2@GO20-PDA12-PVP24膜的通量高达7067 L m-2h-1 bar-1,总通量恢复率为93.5%,同时三次循环过滤实验结束后,膜的总通量恢复率高达91%。
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