等离子体聚合制备反渗透复合膜聚合特征及其分离性能研究

来源 :兰州交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiazixu
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反渗透技术因其不涉及相变、高效、经济、无污染等优势,作为缓解水资源短缺的重要途径,因此研发制备反渗透复合膜受到广泛关注。目前制备反渗透复合膜的主流技术是界面聚合法,但界面聚合存在工艺复杂、成本高、污染严重等问题。本课题立足于等离子体聚合制备反渗透复合膜,为寻找环境友好、绿色无污染的反渗透复合膜制备方法进行技术尝试,分别进行介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,DBD)常压等离子体直接聚合、丙烯酸graft-to法射频等离子体聚合、丙烯酸graft-to法DBD常压等离子体聚合制备反渗透复合膜,测试其分离性能、微观性能、均匀性能。验证等离子体聚合制备反渗透复合膜的可行性,尝试解释反渗透膜性能产生的原因,分析功能性皮层聚合特征与分离性能之间的关系。首先,总结国内外关于等离子体聚合文献中所选用的反应单体,将反应单体数值化,采用分层聚类的方法对反应单体分类,通过选取各类中具有代表性的丙烯酸、4-乙烯基吡啶、N-乙烯基吡咯烷酮、苯乙烯进行DBD常压等离子体直接聚合。通过正交试验,考察放电功率、放电时长、单体流量这三个因素的显著性大小,得到各自反应单体聚合制备的最优组合。通过测试四种反应单体所制得的复合膜对2000ppm的Na Cl和Mg SO4的截留率排序:丙烯酸>4-乙烯基吡啶>苯乙烯>N-乙烯基吡咯烷酮,优选出反应单体丙烯酸。随后又分析了同种制备条件下不同反应单体及同种反应单体不同制备条件下复合膜的分离性能、微观性能、均匀性能,得出DBD常压等离子体聚合所制备复合膜的分离性能主要受到:(1)DBD常压等离子体放电不均的影响,引起聚合物皮层存在较多缺陷、等离子体刻蚀作用破坏了聚合物皮层的稳定性;(2)聚合物自身疏密程度和理化结构的影响。其次,选择筛选出的最优单体丙烯酸,通过改变放电电源、聚合方法进行丙烯酸graft-to法射频等离子体聚合并进行分离性能测试。通过正交试验,考察放电电流、放电时长、接枝时长、接枝浓度四个因素显著性大小。通过极差与方差分析发现放电电流与接枝浓度有较强的显著性,因此分别考察放电电流、接枝浓度对复合膜分离性能影响规律。通过SEM、EDS、ζ电位、增重率、皮层阻力分析,探究反渗透复合膜分离性能形成的原因。单因素实验发现复合膜的分离性能随放电电流的增加呈现先提高后减弱的趋势,聚合作用与刻蚀作用交替主导,复合膜分离性能的产生依赖于等离子体聚合作用、荷电效应,在放电电流为5A时分离性能最优。复合膜的分离性能随接枝浓度的增加,呈现先增后减的趋势,复合膜分离性能受等离子体聚合作用、聚合物皮层的理化结构的影响较大。当接枝浓度为30%,复合膜分离性能最优。过高的接枝浓度,会腐蚀基膜,加剧孔渗作用,降低复合膜的分离性能。最后,进行丙烯酸graft-to法DBD常压等离子体聚合,测试其复合膜的分离性能。采用正交试验,考察放电功率、放电时长、接枝时长、接枝浓度四个因素的显著性大小。通过极差与方差分析发现放电功率、接枝浓度、接枝时长有较强的显著性,因此分别考察接枝浓度与接枝时长对复合膜分离性能影响规律,并通过SEM、EDS、ζ电位、增重率、皮层阻力分析,解释反渗透复合膜分离性能形成的原因。复合膜的分离性能随接枝浓度的增加呈现不断增加的趋势;随接枝时间的延长呈现先增后减的趋势,过长的接枝时间会对基膜造成损伤,加剧孔渗效应,引起分离性能的降低。当改变接枝浓度和接枝时长,复合膜的分离性能会受到等离子体聚合作用、聚合物自身理化结构与性质的影响。较前两种聚合方法,此法能够产生更多结构稳定的聚合物沉积在基膜表面,形成均匀致密、结构稳定的功能性皮层,在截留率方面表现出了更可观的优势,对2000ppm的Na Cl测试液来说,通量为15.32 L/m~2·h,截留率为15.75%。通过等离子体技术对聚砜基膜进行等离子体聚合,初探一种绿色友好的制膜工艺。实验发现等离子体聚合均能在一定程度上提高分离性能。运用一系列表征手段分析反渗透膜功能性皮层聚合特征与分离性能之间的关系,尝试解释了等离子体聚合制备的复合膜分离性能形成的成因。因此对等离子体聚合制备高性能反渗透膜的研制与应用具有参考价值。
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