聚酰胺复合正渗透膜的制备及其改性研究

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目前,正渗透(FO)技术在发电、脱盐、污水处理等领域都存在着巨大的应用潜力。FO具有居多优势,但也面临着很多问题,其中一个就是高性能FO膜的开发。本实验是以目前应用最多的薄层复合聚酰胺正渗透(TFC FO)膜为基础,通过对TFC膜进行改性来制备性能更高的TFC FO膜。传统的TFC FO膜由聚酰胺(PA)活性层和多孔支撑层组成,是由间苯二胺(MPD)和均苯三甲酰氯(TMC)在聚砜(PSf)底膜表面上发生聚合反应形成的。但是由于苯环导致的分子间强大位阻,使得TMC上的部分酰氯基团未能反应,PA活性层难以网络化。因此TFC膜存在水通量不高,反盐扩散严重等问题。为了探究膜的亲水性对水通量的影响,致密性对反盐扩散通量的影响,本论文提出了三种简单有效的表面改性方法,在PA活性层表面引入氨基基团与暴露出的酰氯基团反应,进行更高程度的交联,形成更复杂更网络化的聚合膜。一是选用带有亲水性羟基集团的1,3-二氨基-2-丙醇(DH)改性,二是选用能形成不同致密结构的2-氨基乙硫醇(AE)改性,三是选用1,3-二氨基-2-丙醇/2-氨基乙硫醇(DH-AE)联用改性。本研究通过表面交联的方法,分别用三种改性剂DH、AE、DH-AE成功制备了三种改性TFC-DH膜、TFC-AE膜和TFC-DH-AE膜,并进行了一系列表征。得到的结果是,三种方法均能改善PA活性层的孔径,提高膜的截盐率,不会对选择性产生不利影响。TFC-DH膜的水接触角由87.9°降低到62.8°,亲水性有显著提高。AL-DS模式下(膜的活性层朝向汲取液),TFC-AE膜的反盐扩散通量由11.27g MH降低到8.32g MH,膜的致密程度增加,TFC-DH-AE膜的效果介于TFC-DH膜和TFC-AE膜之间。因此,这种通过添加小分子材料来增加聚合度并引入无机元素的方法为设计和开发新型高效的FO膜提供了有价值的理论依据,该方法简单易行,便于操作,节省资源。为了探究改性剂浓度对TFC膜性能的影响,本论文还以TFC-DH改性膜为例,用三种改性剂浓度(0.2%w/v、0.4%w/v、0.6%w/v)制备了TFC-DH-0.2膜、TFC-DH-0.4膜、TFC-DH-0.6膜三种改性膜。得到的结果是,随着改性剂浓度的增加,改性程度也会增加,膜表面聚合物的交联程度也会越来越高,活性层越来越致密。膜的亲水性也会越来越强,正渗透性能测试中膜的水通量越来越大。但是亲水性和水通量不会一直增加,因为在0.4%w/v浓度时,就达到了最大改性程度,TFC-DH-0.6膜和TFC-DH-0.6膜的表面形貌和正渗透性能一样。本文通过三种方法的改性,改善膜性能的同时也比较了醇羟基和硫醇基的区别。通过显微红外能看到膜表面有新成分的增加,分子间有键的变化,此外,DH还引入了羟基基团,从接触角和水通量测试可以看出改性后的膜在亲水性方面改善了活性层,增大正渗透膜水通量。加入AE后,通过扫描电镜和原子力显微镜可以看出无机硫元素的引入对膜结构的改变,浓差极化现象都有一定的改善。本论文的创新点是,考虑到苯环间存在强大位阻,聚酰胺活性层的聚合度不高,巧妙的通过引入小分子DH、AE、DH-AE来解决均苯三甲酰氯上未反应的酰氯基团,使正渗透膜的结构、形貌及性能都产生极大变化,在水通量测量和反盐扩散通量测量中,情况都有一定程度的改善。
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