酸碱共混耐溶剂纳滤膜的制备及性能研究

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耐溶剂纳滤(SRNF)在众多领域内具有良好的发展前景,然而如何开发出高性能、低成本的耐溶剂纳滤膜已经成为近年来膜分离技术领域研究的热点课题。利用酸碱交联反应,提高酸/碱聚合物共混膜的性能,已经被应用于燃料电池、全蒸发膜以及超滤膜等方面,但较少用于纳滤膜的制备。聚醚酰亚胺(PEI)不仅具有良好的机械强度、热稳定性和化学稳定性等特点,而且具有良好的加工性能。磺化聚醚醚酮(SPEEK)具有优异的力学性能、耐热性和化学稳定性以及离子渗透性等特点,是制备高性能耐溶剂纳滤膜的理想材料之一。本论文选择PEI和磺化聚醚醚酮钠盐Na~+-SPEEK为研究对象,采用酸碱交联的方法,制备交联型酸碱共混耐溶剂纳滤膜,并将其应用到耐溶剂纳滤过程中。通过系统地研究纳滤膜的成膜过程、交联机理以及形貌结构,阐明其与分离性能之间的关系。全文的主要工作如下:(1)通过改变铸膜液中Na~+-SPEEK与PEI的比例(0.8/10、1/10、1.34/10、2/10、4/10),固定铸膜液中聚合物PEI的浓度为20 wt%,采用浸没沉淀相转化法制备酸碱共混纳滤膜。随着铸膜液中Na~+-SPEEK与PEI比例的不断增加,膜的皮层厚度先增加后减小。染料的截留率先升高后降低,溶剂的渗透通量先降低后升高。当铸膜液中Na~+-SPEEK与PEI的比例为1.34/10时,膜的分离性能最好。(2)利用酸碱交联反应对纳滤膜进行改性处理获得交联型酸碱共混耐溶剂纳滤膜,使酸碱共混纳滤膜的分离性能有所提高。固定铸膜液中聚合物PEI的浓度为20 wt%,改变铸膜液中Na~+-SPEEK与PEI的比例(1/10、1.34/10、2/10)。随着铸膜液中Na~+-SPEEK与PEI比例的增加,膜的皮层厚度先增加后减小。与初始膜相比,交联后膜的皮层更加致密。玫瑰红、溴百里香酚蓝与结晶紫在不同有机溶剂中的截留率均有显著的提高,溶剂的渗透通量降低。特别是玫瑰红在异丙醇、乙醇以及丙酮中的截留率均达到98%以上。当铸膜液中Na~+-SPEEK与PEI的比例为1.34/10时,所制备的膜对三种染料的截留率最高,分离效果最好。因此交联型纳滤膜具有良好的分离性能。(3)为了进一步研究成膜条件(铸膜液中聚合物的浓度)对交联前后酸碱共混纳滤膜性能的影响,改变铸膜液中聚合物PEI的浓度(17 wt%、20 wt%、23 wt%),固定铸膜液中Na~+-SPEEK与PEI的比例为1.34/10,制备具有不同微观结构的纳滤膜。将纳滤膜进行改性处理,对膜的形貌、在溶剂中的稳定性以及分离性能的变化进行研究。随着铸膜液中聚合物PEI浓度的增加,膜的皮层更加致密,厚度逐渐增加,支撑层中大孔数目逐渐减少。染料的截留率逐渐升高,溶剂的渗透通量降低。与初始膜相比,制备的所有不同浓度的纳滤膜,交联后的纳滤膜的分离性能增强,溶剂稳定性有所提高。当铸膜液中PEI的浓度为23 wt%时,制备的纳滤膜在丙酮中对玫瑰红的截留率由交联前44.21%提高到交联后98.33%。交联后的膜在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中可以稳定存在(交联前的膜溶解于DMF),在DMF中对玫瑰红的截留率达到90.90%。
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