基于共价有机骨架材料制备超薄复合纳滤膜

发布时间：2020-05-27 01:25

【摘要】：分离层制备过程及其结构调控是制备超薄复合纳滤膜的关键所在。本研究以降低复合纳滤膜分离层厚度,调控界面聚合过程为出发点,通过聚酰胺层杂化改性和支撑层结构优化两个方面,调控界面聚合过程。同时,引入共价有机框架(COFs)材料,制备超薄复合纳滤膜。对纳滤膜的分离性能,物理化学结构进行分析表征,深入探究通过不同方式引入COFs对界面聚合过程的影响。一,通过杂化的方式,将亲水性CTF-1引入聚酰胺分离层中,制备了高通量复合纳滤膜。亲水性CTF-1的引入改善了原有纳滤膜的表面亲水性,通过调控胺单体的吸附与扩散行为降低分离层厚度。断面形貌图证明复合纳滤膜分离层厚度由238nm降低至164nm。此外,亲水性CTF-1的引入干扰了聚酰胺高分子链段的空间排布,形成界面通道,有利于纳滤膜通量的提升。而CTF-1内部规整的孔道结构为水分子的跨膜运输提供了额外通道,有利于水分子的快速通过。优化后的纳滤膜通量高达259.84 L m~(-2) h~(-1) MPa~(-1),对染料的截留率保持在90%左右。二,通过引入纯COF亲水中间层优化支撑层的多孔结构和亲水性,调控界面聚合过程,降低了聚酰胺分离层厚度,制备了高通量、高选择性复合纳滤膜。COF中间层具有优异的水吸附能力,改善了原有支撑层的表面亲水性,优化了支撑层对胺单体的存储能力,从而调控胺单体的吸附与扩散行为。中间层改性后纳滤膜分离层厚度最低达到43nm,最优通量高达413.85 L m~(-2) h~(-1) MPa~(-1),是空白PA/PES膜的3.38倍。同时,对Na_2SO_4和染料的截留率保持在90%以上。三,通过仿生粘合法构建了PDA-COF亲水中间层,调控后续界面聚合过程,制备了高通量、强稳定性复合纳滤膜。PDA-COF亲水中间层不仅优化了支撑层的多孔结构和亲水性,还显著增强了聚酰胺分离层与PAN支撑层的界面相互作用,有效提高了复合纳滤膜的结构稳定性。断面形貌图证明了复合纳滤膜的分离层厚度由79nm降低至30nm。同时,XPS表征证明聚酰胺分离层的交联度增大。最优化的纳滤膜通量高达207.07 L m~(-2) h~(-1) MPa~(-1),而对Na_2SO_4(93.41%)和染料(94.47%)仍保持高的截留率。此外,PDA-COF中间层的引入使得改性后的纳滤膜在乙醇处理16天后仍保持优异的结构稳定性。
【图文】：

天津大学硕士学位论文0μm 红细胞和细菌。超滤和微滤的膜分离过程相似，都是通过膜孔粒子进行筛分[5]。但超滤膜的膜孔直径约为 0.01-0.1μm，除了有效截大的粒子和微生物外，还可以将溶解的生物大分子脱除，如致热源，毒（约为 0.01-0.2μm)等[6, 7]。超滤在污水处理、食品加工、蛋白质分程等方面都得到了广泛的应用。与超滤和微滤不同，纳滤的分离机理分和 Donnan 效应。纳滤技术主要应用于高价离子与低价离子的分离机物脱除。与微滤、超滤和纳滤等多孔膜相比，反渗透膜具有更高的致约为 0.0001-0.001μm。可以有效去除水体中的无机离子及 0.1~2nm 的物质。反渗透技术广泛应用于海水淡化，苦咸水淡化，电子、制药工的制备等领域。

1.2.1.1 界面聚合界面聚合法是目前最常用、最有效的制备商用纳滤膜的方法，具有操作简便、易于工业化的优点[18]。界面聚合反应是通过水相活性单体向有机相中扩散，在有机相侧与酰氯发生聚合反应，从而在基膜形成超薄的致密分离层。根据文献报道[19]，两种高活性单体之间的界面聚合速率常数大于 104m3kmol-1s-1，这使得界面聚合反应过程在动力学上是不可控的。由于界面聚合反应速率较快，但是水相活性单体向有机相的扩散过程为该反应的控速步骤，决定最终聚酰胺层的形成，属于扩散控制反应。而界面聚合反应所生成的分离层将决定纳滤膜的分离性能和渗透性能[20]。当前采用界面聚合法制备的分离层主要为聚酰胺层，常用的水相单体为脂肪族/芳香族二胺，，例如哌嗪（PIP）、间苯二胺（MPD）、对苯二胺（PPD），有机相单体为酰氯，例如均苯三甲酰氯（TMC）、间苯二甲酰氯（IPC）[21]。其中 PIP 和 TMC 是制备商业化聚酰胺复合膜中最常使用的两种单体，图 1-2 为界面聚合法制备聚酰胺复合纳滤膜的示意图。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703;TQ051.893

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本文编号：2682715