荷电聚电解质络合物纳滤膜的制备与性能研究

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水资源紧缺和水体污染为主的水资源问题已经成为制约社会和经济可持续发展的关键难题。纳滤(NF)是介于超滤(UF)和反渗透(RO)之间的压力驱动膜分离过程,凭借其独特的分离特性被广泛应用于水处理,生物制药,食品加工和化工等领域。为了实现特定体系的有效分离,本文从构建纳滤膜的基元出发,在聚电解质络合物(PECs)纳米粒子中分别引入磺酸基团和季铵基团,并采用表面涂覆法制备了基于荷电PECs粒子的新型荷电纳滤膜,深入探讨了强荷电基团修饰的PECs纳米粒子材料~微观结构~分离性能的内在关系,得到了一系列具有实际应用价值的高性能聚电解质络合物纳滤膜。  首先,采用“络合-磺化”法制备了游离磺酸基团(SO3-)修饰的荷负电聚电解质络合物纳米粒子SPECs,随着磺化试剂投料比的增加,SPECs的磺化程度从18%增加到48%。采用表面涂覆法制备了基于SPECs纳米粒子的新型荷负电纳滤膜。作为一种新型NF膜构筑基元,SPECs粒子有效降低了分子链堆积密度,增大粒子间自由体积,为水分子提供了快速传输通道;此外,由于SO3-基团的强亲水性和高荷电性,不仅可以对水分子进行优先选择吸附,且加强了NF膜的静电排斥效应,从而得到具有高渗透性和选择性的荷负电纳滤膜。探讨了SO3-含量对SPECMs分离性能的影响,其中M-4的纯水渗透系数为6.71 Lm-2h-1 bar-1,对Na2SO4溶液的截留率为93.4%。SPECMs在一价盐/二价盐分离体系(αNaCl/Na2SO4=13.1)和一价无机盐/小分子有机染料(αNaCl/MYB=850.0)均具有优异的分离性能,且具有良好的耐染料污染性能和长期稳定性。  其次,采用“络合-季铵化”法,将季铵基团引入到PECs粒子中构建了一种荷正电的新型NF膜铸膜基元QPECs,当季铵化试剂投料比从1提高到5时,QPECs的季铵化程度从17%增加到51%。通过表面涂覆法制备了基于QPECs粒子的新型荷正电纳滤膜。通过和未改性PECs纳滤膜,季铵化壳聚糖膜对比得出:QPECs纳米粒子铸膜基元的构筑与荷正电季铵基团的协同作用,使得QPECM-4打破了截留率与通量之间的“trade-off”关系,同时具备高渗透性和高选择性。将QPECM-4应用于重金属离子的脱除,结果表明其对多种离子(Ca2+,Cu2+,Mg2+和Zn2+)均有良好的截留能力;并且在蛋白质污染测试中呈现较低的通量衰减率(10.3%)和较高的通量恢复率(93.6%),体现了良好的耐蛋白污染性能。
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