基于聚砜膜的电化学阻抗谱研究

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膜分离技术广泛应用于水的提纯,而聚砜(PSf)分离膜由于其优异的机械性能和稳定性而成为最为常见的分离膜材料之一,但是由于该材料表面疏水,容易吸附疏水性物质而造成膜污染。膜污染则影响着膜的结构,如何改善膜污染以及如何对膜结构的变化进行研究成为近些年的重点。区别于检测膜结构的传统表征方法,电化学阻抗谱由于能对膜进行原位无损在线监测,近年来在膜领域的应用也越来越多,该方法可利用等效电路对阻抗谱拟合,根据等效电路中电子元件参数的变化,发现膜的结构及孔洞的变化。本论文从膜的等效电路模型和阻抗谱基本理论出发,研究电化学参数和不同膜致孔剂(PEG)含量对聚砜分离膜阻抗谱的影响,并利用电化学阻抗谱研究了聚砜复合膜在不同测试条件(受压、光照)下阻抗谱的变化,具体内容如下:(1)研究电解质浓度对PSf膜体系阻抗谱的影响。利用相转化法制备1%PEG含量的聚砜分离膜,测量聚砜膜在0.001 M,0.002 M,0.01 M,0.05 M,0.1 M浓度KCl溶液中的阻抗谱,结果显示聚砜膜体系的等效电路模型与预期结果一致,即是由膜电阻并联膜电容再串联溶液电阻,在低电解质浓度0.001 M与0.002 M下,体系具有两个时间常数,表明电解质溶液的容抗开始响应。当电解质浓度升高时膜电阻从230960Ω减小到3276Ω,溶液电阻从20489Ω减小到242Ω,膜和溶液的特征频率均向高频移动,导致0.01 M以上高浓度时溶液只有电阻特性而没有容抗响应,另外膜电阻与电解质浓度呈明显反比关系。结果表明可以通过阻抗谱寻找体系测试的最佳电解质浓度,在本实验体系下适宜测量浓度在0.01 M以上。(2)研究不同孔洞结构的聚砜膜的阻抗谱。在0.1 M电解质浓度下,测试不同孔洞结构的聚砜膜的阻抗谱,当PEG含量升高时,膜电阻从3276Ω降低到574Ω,SEM结果显示膜表面的孔洞大小大都从1μm以下增大到2μm左右,孔隙率也明显增加,在0.5 MPa跨膜压差下,水通量测试结果显示水通量从6.47 kg/m2.h增大到22.98 kg/m2.h,孔隙率测试结果显示孔隙率从78.43%增大到80.93%,与阻抗谱结果一致,这表明利用电化学阻抗谱研究膜结构这一手段具有较高的可靠性和有效性。(3)利用电化学阻抗谱研究受压时间对g-C3N4/PSf复合膜结构的影响。先用热分解法制备g-C3N4,然后将其与聚砜共混得到g-C3N4/PSf复合膜,SEM结果显示膜表面分布了大量g-C3N4颗粒。在0.5 MPa跨膜压差和0.1 M KCl电解质溶液下,测量复合膜受压0 h,1 h,2 h,3 h,4 h,5 h,6 h下的阻抗谱,发现随着压力不断增大,体系阻抗也逐渐增大,其中膜电阻从817Ω增大到1868Ω,膜电容从4.628×10-9F增大到5.409×10-9F,并且在受压4 h时体系阻抗趋于平稳,上述结果表明在受压时膜孔发生收缩,并且在受压4 h后膜的孔洞结构趋于稳定。(4)g-C3N4/PSf复合膜的性能研究及电化学交流阻抗谱表征。研究g-C3N4/PSf复合膜对罗丹明B的光降解性能,结果显示罗丹明B溶液的吸收峰处的吸光度从1.00降低到0.12,证明复合膜对罗丹明B具有光催化效果。复合膜在不同光照时间下的阻抗谱测试结果表明,在光照下条件下光生电荷主要存在于膜孔中。这说明分散在聚砜基体的g-C3N4能有效降解膜孔洞上的有机物,即抑制膜污染的发生。
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