论文部分内容阅读
目前市场上的醋酸纤维素中空纤维膜主要为反渗透膜，膜的渗透通量较低，同时膜对不同价态离子的选择分离性能较差。鉴于醋酸纤维素中空纤维膜承压能力强、比表面积大、耐氯性能好、成本低、降解性好等特点，本论文以醋酸纤维素中空纤维反渗透膜为原材料，采用转化法对醋酸纤维素中空纤维反渗透膜的渗透通量和选择分离性能进行改进和提高，制备醋酸纤维素中空纤维纳滤膜，以进一步拓展醋酸纤维素膜材料在水处理以及生物、医药、食品、化工等领域中的物料分离与浓缩方面的应用。论文以醋酸纤维素中空纤维反渗透膜为原料，采用NaOH水解加氯乙酸羧甲基化的表面功能化改性工艺，制备醋酸纤维素中空纤维纳滤膜。系统研究了水解反应过程中NaOH浓度、反应时间、反应温度和羧甲基化反应过程中氯乙酸浓度、反应时间、反应温度、氯乙酸溶剂组成等改性工艺对膜性能的影响。采用傅里叶衰减全反射红外光谱（ATR-IR）、扫描电子显微镜（SEM）、zeta电位仪、接触角测定仪对膜表面形态和结构进行表征。在0.5MPa、20℃条件下，通过错流实验，采用NaCl、Na2SO4等无机盐对膜分离性能进行了评价，采用不同分子量的PEG对膜的截留分子量（MWCO）进行表征。研究了膜对不同种类的染料废水的处理效果，考察了影响染料分离性能的因素，并在此基础上，采用浸没式过滤工艺，探讨了浸没式纳滤技术处理染料废液的可行性。膜表面表征结果表明：通过对水解反应和羧甲基化反应过程的调控，能使改性过程只发生在醋酸纤维素中空纤维反渗透膜表面，内部结构得以有效保护。水解反应使膜表面产生更多的羟基，zeta电位趋向电中性；羧甲基化反应使膜表面带上羧甲基，负电荷增强。随着膜表面水解反应和羧甲基化反应的进行，膜表面接触角不断减小，亲水性提高。膜分离性能测试表明：功能化改性的醋酸纤维中空纤维膜的孔径与分离性能主要受水解和羧甲基化两个过程控制，包括NaOH溶液浓度、水解时间、水解温度、氯乙酸溶液浓度、羧甲基化反应时间和温度、氯乙酸溶剂等工艺条件。通过调节制备工艺可有效实现对膜孔径和分离性能的优化。研究结果表明，水解的最佳条件为：NaOH溶液浓度=0.1M、水解时间=10min、水解温度=20℃；羧甲基化的最佳条件为：氯乙酸溶液浓度=3%wt/v、反应时间=1h、反应温度=20℃、氯乙酸溶剂乙醇/水=1/1。制备的羧甲基化醋酸纤维素中空纤维纳滤膜通量较原始膜通量有较大幅度的提高，在0.5MPa、20℃下，可达到21.0l/m2·h，同时膜对NaCl和Na2SO4的选择分离性能提高。运行条件对膜性能的影响研究表明：羧甲基化醋酸纤维素中空纤维纳滤膜的渗透通量和分离性能受进料液浓度、操作压力、运行时间的影响。膜的渗透通量受运行条件影响变化较大，随进料液浓度的升高迅速下降，随运行压力的增加迅速增大；膜对NaCl和Na2SO4的截留率受运行条件影响变化较小。膜的渗透通量和分离性能在长时间的运行中基本保持稳定。染料分离实验结果表明：羧甲基化醋酸纤维素中空纤维纳滤膜对阴离子染料溶液具有良好的分离效果，在0.5MPa、20℃下，对甲基红、甲基蓝和刚果红三种染料的截留率分别为82.1%、99.9%和99.2%，渗透通量分别为19.5l/m2·h、19.4l/m2·h和18.9l/m2·h。膜对荷电染料的分离效果受筛分效应和Donnan效应共同作用，染料分子量越大，所带负电荷越强，膜对染料的截留效果越好。因此分子量较大且带负电荷的刚果红和甲基蓝的截留率较高，而分子量较小且带正电荷的亚甲基蓝和罗丹明B的截留率较低。膜对染料的分离性能受运行压力、盐浓度、运行时间的影响较小。随压力和盐浓度的升高，膜对染料的截留率基本不变，在较长时间的连续测试下膜性能基本保持稳定。采用浸没式中空纤维膜过滤技术对染料废水进行处理，在跨膜压差80kPa、20℃下，膜对甲基蓝和刚果红的截留率分别为99.4%和99.8%，与0.5MPa下采用外压式测得的结果基本一致。实验结果表明，制备的羧甲基化醋酸纤维素中空纤维纳滤膜在染料废水处理中具有潜在的应用价值。