PVP对聚哌嗪酰胺纳滤膜结构和性能的影响机制研究

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在全球淡水资源紧缺和人们生产生活对水处理技术需求与日俱增的背景下,膜分离技术的创新和膜材料的优化势在必行。聚哌嗪酰胺纳滤膜作为最常见的纳滤膜之一,常采用界面聚合法制备,但提高纳滤膜的高截留性能往往以牺牲渗透性能为代价,限制了产水效率的进一步提高。现有研究表明,水溶性高分子聚合物和部分极性小分子有机物可以影响胺单体的扩散速率,进而影响界面聚合过程,在一定条件下可以制备出高截留性能且高渗透性能的聚酰胺膜,打破渗透截留平衡,提高产水水质和产水效率。本论文使用水溶性高分子聚合物聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinylpyrrolidone,PVP)为改性剂,分别采用水相共混法和表面浸渍法改性了聚酰胺功能层和多孔支撑层,研究了不同改性位置、不同浓度和分子量PVP对聚哌嗪酰胺纳滤膜的形貌、结构和性能的影响,分析PVP改性的最适条件。此外,还尝试了PVP与单宁酸(Tannins,TA)协同改性支撑层,为进一步提高膜性能提供参考。本论文主要研究结论如下:(1)使用不同浓度的PVP-K13、PVP-K30和PVP-K60水相共混改性聚酰胺功能层。水相溶液加入PVP后,哌嗪(Piperazine,PIP)扩散速率减慢,聚酰胺功能层表面由点状结构变为条状结构。同时伴随着聚酰胺功能层厚度减小,粗糙度增大和亲水性增强,水通量显著提升。随着PVP分子量增大,出现点状-条状形貌变化的临界浓度越低,并且对聚酰胺纳滤膜的形貌结构和渗透性能影响更加显著。对比不同分子量、浓度PVP水相共混改性效果,0.4%K60为最适改性条件,此时水通量约为空白膜的1.52倍,Na2SO4脱盐率基本不变,Na Cl脱盐率下降约21%,一二价离子分离效率提高。(2)使用不同浓度的PVP-K13、PVP-K30和PVP-K60表面浸渍多孔支撑层,构筑PVP中间层。低浓度PVP时,氢键作用为主要影响因素,PIP扩散速率减慢,聚酰胺层厚度和交联度降低,膜表面粗糙度增大,亲水性增强,水通量提升。高浓度PVP时,多孔支撑层的PIP负载量增多为主要影响因素,聚酰胺层厚度和交联度增大,脱盐率提高。高分子量PVP改性多孔支撑层效果更加显著,0.4%K60为PVP改性支撑层的最适条件,此时水通量约为空白膜的1.42倍,应用于含盐废水回用,一二价离子分离性能优异,Na Cl/Na2SO4分离系数S约为空白膜的18%。(3)TA具有大量酚羟基,使用PVP与TA共同改性多孔支撑层,形成的中间层更加亲水且致密。同时,可以进一步减小PIP扩散速率,使得聚酰胺纳滤膜厚度更小,粗糙度更大,亲水性更强,水通量较PVP改性支撑层的聚酰胺膜更高,Na Cl/Na2SO4分离系数S增大至131左右,有利于含盐废水回用。
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