论文部分内容阅读
聚偏氟乙烯(PVDF)、聚砜(PSF)是目前常用的膜材料,所制备的膜性能有待提高。论文基于微乳液合成双金属氢氧化物纳米粒子,采用共混法研制新型PVDF、PSF杂化膜,以期改善膜的渗透性和抗污染性,提升膜的使用效率,拓展膜的应用领城。论文选用环己烷为油相、辛基酚聚氧乙烯醚(TX-100)为表面活性剂、正丁醇为助表面活性剂,Co Cl2与Fe Cl3的水溶液为水相介质构建反相微乳液体系。通过测量体系的电导率,结合目视法探讨稳定的反相微乳液组成范围,进而合成钴-铁双金属氢氧化物的纳米粒子(Co-Fe(OH)NPs)。采用TEM、XPS、XRD等分析表征Co-Fe(OH)NPs的形貌与结构,探讨微乳液增溶水量(ω)与水相介质中Co Cl2和Fe Cl3的浓度对Co-Fe(OH)NPs形貌与结构的影响。结果表明,在ω=3时,合成的Co-Fe(OH)NPs粒径及其分布较好,Co-Fe(OH)NPs的粒径在15 nm左右;另外,微乳液合成的Co-Fe(OH)NPs中Co-Fe之间存在相互作用,在水相介质中Co Cl2和Fe Cl3的总浓度一定的情况下,浓度较高的金属对另一金属的相互作用增强。将增容水量ω=3的反相微乳液合成的包含有Co-Fe(OH)NPs的微乳液作为添加剂与PVDF共混制备钴-铁氢氧化物的纳米粒子/PVDF(Co-Fe(OH)NPs/PVDF)杂化膜。通过仪器分析表征杂化膜的形貌结构,实验评估杂化膜的水通量和抗污染性能。膜形貌结构分析发现杂化膜表面含有Co-Fe(OH)NPs,能有效降低杂化膜的表面粗糙度;杂化膜中Co-Fe(OH)NPs分散均匀,微乳液对Co-Fe(OH)NPs具有一定的保护作用,能促进Co-Fe(OH)NPs在杂化膜中的分散。超滤实验结果发现通过将包含有Co-Fe(OH)NPs的微乳液作为添加剂与PVDF共混制备的Co-Fe(OH)NPs/PVDF杂化膜较PVDF膜的水通量大幅增加,抗污染性能显著增强,牛血清蛋白(BSA)的截留率也得到巨大提升;且随着包含有Co-Fe(OH)NPs的微乳液填充量的增大,所制得的杂化膜水通量增大,总污染率降低,其中不可逆污染率明显降低,可逆污染率有所提高,抗污染性能增强。当包含有Co-Fe(OH)NPs的微乳液填充料大于12.5%后,杂化膜性能反而有所下降,由于填充量的过大,导致Co-Fe(OH)NPs在杂化膜中的分散性变差,这些结果与杂化膜的SEM分析及平均孔径和孔隙率、杂化膜表面的水接触角和Zeta电位分析结果是一直的。研究表明在包含有Co-Fe(OH)NPs的微乳液填充量为12.5%时所制得杂化膜(M-E-12.5)的水通量最大,可达518.17L·m-2·h-1,BSA截留率为92.34%,分别较纯PVDF膜提升了760%和61.6%;4次污染-清洗循环后杂化膜的水通量仍高达378.37 L·m-2·h-1,BSA截留率超过80%,而纯PVDF膜的水通量仅为21.95 L·m-2·h-1,BSA截留率为42.33%,表明制得的双金属共混膜具有较好的运行稳定性和抗污染能力。选用对硝基苯酚(PNP)为模拟污染物,利用上述Co-Fe(OH)NPs/PVDF杂化膜进行含盐有机废水的分离实验。实验结果显示Co-Fe(OH)NPs/PVDF杂化膜对对硝基苯酚具有一定的截留作用,但截留率仅有38.22%,有待提高。在上述研究的基础上,以聚砜(PSF)为膜基材,通过填充包含有Co-Fe(OH)NPs的微乳液制备Co-Fe(OH)NPs/PSF杂化膜,考察PSF在铸膜液中的质量分数、湿膜在空气中停留时间(空气浴时间)等参数对杂化膜形貌结构和PNP截留性能的影响。结果表明随铸膜液中PSF质量分数的增加,杂化膜的孔隙率增大,海绵孔增多,贯穿孔减小,膜皮层增厚,膜表面的水接触角增大。随铸膜液中的PSF质量分数的增加,杂化膜的通量下降,PNP截留率增大。当PSF含量超过20%后,杂化膜的通量大幅度下降,PNP截留率增大有限。在PSF含量为17.5%时,杂化膜的纯水通量为199 L·m-2·h-1,PNP截留率为54.7%,比相同条件下纯PSF膜提升显著。PSF质量分数对杂化膜的性能影响与膜形貌结构的变化趋势一致。湿膜的空气浴时间对杂化膜性能影响表现为随着空气浴时间的增长,膜的通量降低,PNP截留率升高。权衡膜的通量与PNP的截留率,空气浴时间为10分钟时的Co-Fe(OH)NPs/PSF杂化膜综合性能较好,杂化膜的水通量为126 L·m-2·h-1,PNP截留率分离效率可达66.2%,而对Na Cl、Na2SO4的截留率仅在10%左右,表明Co-Fe(OH)NPs/PSF杂化膜针对含盐有机废水有一定的分离性能。另外,实验还考察了Co-Fe(OH)NPs/PSF杂化膜的运行稳定性,在连续6小时的试验中,膜通量衰减率低于10%,PNP的截留仍有52.7%,表明膜的稳定性较好。