聚多巴胺复合膜的制备及其性能研究

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当前,基于多巴胺仿生粘附的自聚-复合技术已成为当今材料表面改性的研究热点,但利用该项技术改性复合超滤膜,并进一步接枝制备出复合纳滤膜的研究较少。本文利用自聚-复合技术(多巴胺DOPA分子含有邻苯二酚和氨基官能团,在碱性溶液及氧化环境中,能在基体材料表面自聚-复合,形成具有高粘附性的聚多巴胺层PDOPA),以PS为基膜,采用自制实验装置,制备了系列PS/PDOPA复合超滤膜和复合纳滤膜。首先,利用自聚-复合技术,制备出PS/PDOPA复合超滤膜;其次,在已制聚多巴胺复合超滤膜基础上,进行再次多巴胺复合,制备出双层聚多巴复合纳滤膜,记为PS/D-PDOPA复合纳滤膜;再者,利用DOPA分子的儿茶酚基团可与聚乙烯亚胺PEI上的氨基发生迈克尔加成反应的性质,在聚多巴胺复合超滤膜上进行PEI接枝,制备出PS/PDOPA/PEI复合纳滤膜;最后,为进一步提高复合纳滤膜的皮层稳定性,在PS/PDOPA/PEI复合纳滤膜基础上进行环氧氯丙烷ECH和戊二醛GA交联,制备出PS/PDOPA/PEIc复合纳滤膜。在PS/PDOPA复合超滤膜制备中,考察了溶剂种类(Tris-HCl缓冲溶液、磷酸盐缓冲溶液、去离子水、海水和人工海水)和氧化还原环境(氧化剂NaIO4、还原剂Zn粉)对复合超滤膜的影响;在PS/D-PDOPA复合纳滤膜制备中,考察了溶剂种类(PBS缓冲溶液、海水和人工海水)对复合纳滤膜性能的影响;在PS/PDOPA/PEI复合纳滤膜制备中,以人工海水作为溶剂,系统考察了PEI浓度、浸泡时间及温度对复合纳滤膜性能的影响;在PS/PDOPA/PEIc复合纳滤膜制备中,选取PEI浓度为1000mg·L-1、60℃下浸泡4h先制备出PS/PDOPA/PEI复合膜,系统考察了ECH、GA的浓度及浸泡时间对复合膜性能的影响。实验结果表明:1、PS/PDOPA复合超滤膜,海水作溶剂制得的复合超滤膜的最大拉伸载荷最大,与基膜相比增加了44.46%;PBS缓冲溶液作溶剂制得复合超滤膜的断裂伸长率最大,与基膜相比增加了61.08%;复合超滤膜的亲水性和抗污染性能均得到不同程度的提高,长时间运行下透水稳定性较好;PBS缓冲溶液作为溶剂制得复合超滤膜HA截留率最高为99.99%,与基膜相比增加了21.60%;添加Zn粉后复合膜的截留率均有所下降,而添加NaIO4后复合膜的截留率均得到提高。2、PS/D-PDOPA复合纳滤膜,PBS缓冲溶液、海水和人工海水三种溶剂制得的PS/D-PDOPA复合纳滤膜的Lp分别为18.59、15.85和23.46L·h-1·m(-2) MPa-1;接触角分别为47.32°、40.36°和42.98°;在0.8MPa下,料液流速为30L h-1时,对2000mg·L-1的MgCl2溶液的截留率分别为95.77%、98.02%和87.62%;通量分别为9.39、6.58和19.60L·h-1·m(-2);海水制得的PS/D-PDOPA复合纳滤膜的粗糙度为5.18nm,说明此种复合纳滤膜表面缺陷很小。3、PS/PDOPA/PEI复合纳滤膜,对2000mg·L-1的MgCl2溶液截留率最高的三种制备条件分别为:PEI浓度1000mg·L-1、60℃下浸泡4h;PEI浓度1000mg·L-1、40℃下浸泡4h和PEI浓度2000mg·L-1、40℃下浸泡4h。这三种复合纳滤膜的Lp分别为48.20、43.66和44.93L·h-1·m(-2) MPa-1;在0.8MPa的操作压力下,对质量浓度均为2000mg·L-1的MgCl2、NaCl、MgSO4和Na2SO4溶液的截留率分别为87.10%、47.49%、53.39%和24.01%;通量分别为19.85、15.25、15.25和14.08L·h-1·m(-2);PEI浓度为1000mg·L-1、40℃下浸泡4h制得的PS/PDOPA/PEI复合膜对质量浓度均为2000mg·L-1的MgCl2、NaCl、MgSO4和Na2SO4溶液的截留率分别为83.50%、39.69%、57.82%和26.73%;通量分别为25.20、18.28、15.40和14.03L·h-1·m(-2)。4、PS/PDOPA/PEIc复合纳滤膜,考察其对2000mg·L-1的MgCl2溶液的截留率,得到ECH最佳交联浓度为0.7%,GA最佳交联浓度为1%。两种PS/PDOPA/PEIc复合纳滤膜的接触角分别为48.26°和45.92°;粗糙度分别为21.09nm和27.73nm;Lp分别为38.42和41.39L·h-1·m(-2) MPa-1。在0.8MPa的操作压力下,ECH交联的PS/PDOPA/PEIc复合纳滤膜对质量浓度均为2000mg·L-1的MgCl2、CaCl2、NaCl、MgSO4和Na2SO4溶液的截留率分别为92.37%、91.32%、51.40%、62.29%和15.74%;通量分别为12.84、10.49、12.04、11.75和9.43L·h-1·m(-2)。GA交联的PS/PDOPA/PEIc复合纳滤膜对质量浓度均为2000mg·L-1的MgCl2、CaCl2、NaCl、MgSO4和Na2SO4溶液截留率分别为92.67%、91.13%、51.53%、61.49%和24.82%;通量分别为21.86、15.28、13.59、13.30和11.93L·h-1·m(-2)。
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