PDA/MOF共沉积中间层耐溶剂纳滤膜的制备及性能

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石油、化工、生物及医药等诸多行业涉及到大量有机溶剂的使用、分离和纯化,传统分离方法(如蒸馏、蒸发、精馏和萃取等)不仅能耗较高,溶剂损耗较大,而且易造成严重的环境污染。耐溶剂纳滤技术是传统水体系纳滤技术的延伸,可用于有机体系溶液的分离和纯化,是解决能源、资源和环境问题的重要绿色化学工艺之一。耐溶剂纳滤膜作为核心组件,其良好的分离性能和耐溶剂性能是耐溶剂纳滤技术能够实际应用的关键所在。为获得性能良好的耐溶剂纳滤膜,采用分别优化超滤基膜和分离皮层的方法制备耐溶剂复合纳滤膜。与此同时在超滤基膜和分离皮层之间构建聚多巴胺(PDA)与金属有机框架材料(MOF)中间层,中间层的存在不仅能增强超滤基膜与分离皮层的相互作用以提高其耐溶剂性能,而且还能够宏观调控纳滤膜制备过程中的界面聚合反应速率进而得到高性能耐溶剂复合纳滤膜。本论文主要研究内容及结论如下:(1)聚醚酰亚胺耐溶剂超滤基膜的制备。为制备具有良好耐溶剂性能的超滤基膜,以聚醚酰亚胺(PEI)为膜材料,采用相转化法制备PEI耐溶剂超滤基膜,考察铸膜液中PEI浓度、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)浓度对膜结构和性能的影响,并在相转化成膜后采用己二胺(HDA)进行化学交联。实验得到铸膜液的最佳配比为:PEI浓度为18%,PVP浓度为2.0%,N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)浓度为80%。在此条件下制备的超滤膜在0.10MPa运行压力下纯水通量和对1.0 g/L牛血清白蛋白(BSA)溶液的截留率分别为667 L/(m~2·h)和97.6%。同时HDA化学交联30 min后,在不降低膜分离性能的情况下,纯水通量可达1126.2 L/(m~2·h),其耐溶剂性能也得到较大提升。(2)PDA与MOF共沉积中间层制备耐溶剂纳滤膜。在成功制备具有良好耐溶剂性能的超滤基膜基础上,以PDA与MOF共沉积中间层后进行典型的界面聚合反应(水相单体为哌嗪PIP、有机相单体为均苯三甲酰氯TMC)制备耐溶剂复合纳滤膜,在常温常压下合成MOF(HKUST-1)材料,探究MOF添加量、PDA自聚时间、PIP浓度、TMC浓度、界面聚合时间等对膜结构和性能的影响。实验得到纳滤膜的最佳制备条件为:MOF添加量为0.6 g/L、自聚时间为30 min、PIP浓度为2.25%、TMC浓度为0.40%、界面聚合时间为2.0 min、70℃热处理10 min。在此条件下制备的纳滤膜在0.60 MPa运行压力下纯水通量为56.9 L/(m~2·h),对甲基蓝(799.8 Da)、孟加拉玫瑰红(1017.6 Da)、刚果红(696.68Da)和考马斯亮蓝R250(825.09 Da)等染料具有较高截留率,分别为99.4%、92.5%、94.1%和98.3%。与未构建中间层的纳滤膜相比,其对1.0 g/L Na2SO4和Mg SO4溶液的渗透通量提升了1倍左右,且具有更加优良的亲水性能、耐溶剂性能、抗拉性能和耐热性能。同时仅通过更换过滤纯水其通量恢复率达78.4%,具有良好的抗污染性能。长期运行实验证明,其对0.1 g/L刚果红和甲基蓝水溶液的截留率可稳定在98.5%和99.9%。(3)PA/PDA-MOF/PEI纳滤膜在有机溶剂体系中的性能。将PDA与MOF共沉积中间层制备的纳滤膜用于有机溶剂体系中染料的分离与纯化,实验发现纳滤膜通量在水体系和有机溶剂体系中差别很大,且在有机溶剂体系和高温运行过程中对设备及其辅助设施的要求相对较高。在70℃运行温度下,制备得到的PA/PDA-MOF/PEI纳滤膜在0.60 MPa运行压力下对0.1 g/L刚果红/乙醇溶液的渗透通量和截留率分别为3.7 L/(m~2·h)和90.1%,具有良好的耐高温性能。
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