基于共价有机骨架材料纳滤膜的制备及其性能研究

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纳滤,是一种新型膜分离技术,与传统分离技术相比具有高效低耗的特点,在染料废水净化、苦咸水淡化领域受到广泛关注。但传统聚合物纳滤膜孔隙率低、结构致密,导致其渗透通量较低,故而寻找合适的膜材料制备高性能纳滤膜迫在眉睫。共价有机骨架材料(Covalent organic frameworks,COFs)是一种完全由有机配体通过共价键连接形成的多孔聚合物,具有规则丰富的孔道结构、低骨架密度、良好的亲水性等物理化学特性,是优良的纳滤膜制膜材料。本研究以共价有机骨架为膜材料,采用直接生长法和二次界面聚合法制备具有优良性能的纳滤膜。具体工作如下:首先通过表面修饰在聚丙烯腈(Polyacrylonitrile,PAN)多孔支撑层表面引入醛基,作为生长位点,然后采用直接生长法在改性支撑层表面形成连续无缺陷的Tp Pa-1,即COF层,制备得到Tp Pa-1/HPAN纳滤膜。Tp Pa-1层具有较强的亲水性和高孔隙率,赋予其良好的渗透性,同时Tp Pa-1规则孔道具有筛分作用,赋予其良好的选择性。实验考察了反应时间和单体浓度对膜结构、性能的影响。Tp Pa-1/HPAN纳滤膜纯水通量可达到897.2 L/(m~2 h MPa),对染料的截留率保持在95%以上,且具有较强的化学稳定性。其次通过二次界面聚合,在聚醚砜(Polyethersulfone,PES)多孔支撑层表面先后制备Tp Pa-1层和聚酰胺(Polyamide,PA)层,制备得到PA/Tp Pa-1/PES纳滤膜。在二次界面聚合过程中,Tp Pa-1丰富的孔结构通过吸附哌嗪分子提高局部胺单体浓度,其亲水基团与哌嗪形成氢键减缓其扩散速率,两者共同调控界面聚合过程。通过优化Tp Pa-1层结构及界面聚合时间,使得纳滤膜通量达到171.35 L/(m~2 h MPa),比PA/PES膜提高了125.4%,对硫酸钠的截留率保持在90%以上,对染料的截留率保持在99%以上,具有优异的分离性能。
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