多组分复合纳滤膜的设计、制备及其在水溶剂和有机溶剂中染料分离研究

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纳滤是介于超滤和反渗透之间的一种新型压力驱动膜分离技术,具有选择性高、操作简单和能耗低等优点,广泛应用于生物医药、精细化工、石油化工、食品及造纸等工业领域的水溶剂体系或有机溶剂体系。然而,传统纳滤膜通常采用界面聚合法制备,过程中需要使用大量有机溶剂,存在环境污染问题,并且复合纳滤膜的基膜多使用超滤膜,存在成本偏高的问题;此外,用于水溶剂体系的工业纳滤膜容易在有机溶剂中发生溶胀,会使基膜和选择层之间出现缺陷,导致选择性的急剧下降。针对这些问题,本论文基于绿色安全的水系纳滤膜和性能优异的低成本的耐有机溶剂纳滤膜为目标,开发两种多组分复合纳滤膜材料分别应用于水溶剂体系和有机溶剂体系中染料分离研究。本文的主要研究内容以及通过对复合膜材料进行表征和染料分离性能进行评价得到的主要结论如下:(1)采用绿色材料壳聚糖(CS)作为活性层材料,通过自由基接枝共聚方法利用没食子酸(GA)对CS进行改性获得了GA-g-CS缀合物,将GA-g-CS缀合物沉积到聚砜(PS)基膜上,制备GA-g-CS/PS复合纳滤膜,用于水溶剂体系中不同分子量的染料分离。采用FTIR、XPS、SEM、AFM和WCA等技术手段对所制备的复合纳滤膜进行系统表征。综合考察了复合纳滤膜制备参数如CS浓度、GA浓度、GA-g-CS混合溶液pH、沉积时间以及热处理时间等对复合纳滤膜分离性能的影响规律。结果表明,复合纳滤膜对水溶液中刚果红的截留率高达97.2%,渗透通量高达14.0 L h-1 m-2 bar-1。此外,复合纳滤膜对水溶液中伊文思蓝、酸性红、阿尔新蓝等染料也有良好的截留效果,在废水处理领域显示出良好的应用前景。(2)以商业聚偏四氟乙烯(PVDF)微孔滤膜为基膜,设计了一种新型的界面聚合反应体系,以偏苯三酸酐酰氯(TAC)与均苯三甲酰氯(TMC)为混合油相单体,通过界面聚合法制备具有高通量的聚酰胺复合纳滤膜,用于有机溶剂体系中的染料分离。由于混合油相单体(TMC和TAC)与间苯二胺(MPD)的反应活性不同,通过改变TAC含量可调整聚酰胺活性层的化学组成和结构。采用一系列仪器设备对所制备的复合纳滤膜的表面化学性质和物理结构进行系统表征。考察了复合纳滤膜制备参数如TAC浓度、热处理温度以及热处理时间等对复合纳滤膜分离性能的影响规律。结果表明,当TAC浓度为0.05wt%,热处理温度为60℃,热处理时间为5 min时,优化后的复合纳滤膜对乙醇体系具有高渗透性5.0 L h-1 m-2 bar-1,比传统单有机单体制备的纳滤膜乙醇通量高10倍。在乙醇体系中,复合纳滤膜也对其它染料(亚甲基蓝、刚果红、考马斯亮蓝和酸性红)具有良好的截留率。本研究为开发以商业微孔滤膜为基膜的低成本高通量耐溶剂纳滤膜提供了一种新型、简便的方法。
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