论文部分内容阅读
膜技术是一种新型分离技术,具有高效、节能、清洁等优点。在当今世界能源紧缺,水和环境污染日益严重的形势下,膜分离技术在脱盐、废水处理、食品加工和医药等方面引起了世界各国的高度重视。荷电膜是一种表面荷正电或荷负电的膜,近年来研究者们在膜材料的制备、盐/水渗透分离及传质过程机理等方面进行了广泛的研究,取得了一定的研究成果,引起了国内外专家学者的关注,该方面的研究对膜分离技术在脱盐领域的应用提供了重要理论依据。本论文以荷正电的离子液体嵌段共聚物PMMA-b-PMEBIm-Br为成膜材料,以功能化的碳纳米管(PMMA-MWCNTs)和壳聚糖改性氧化石墨烯(GO-CS)为改性剂,重点研究荷正电离子液体共聚物复合膜的盐/水渗透分离性能。此外,还将GO-CS用于聚醚砜(PES)超滤膜的荷电、亲水化改性,并通过界面聚合制备了正渗透复合膜,研究了GO-CS对正渗透复合膜的盐/水分离性能影响。主要研究内容如下：1.离子液体嵌段共聚物膜制备及其盐/水渗透分离性能采用RAFT法合成三种不同聚离子液体链段长度的离子液体共聚物PMMA-b-PMEBIm-Br,以该共聚物为成膜材料,通过溶剂蒸发法制备PMMA-b-PMEBIm-Br致密膜。采用红外光谱(FTIR)、核磁共振(1H-NMR)以及凝胶渗透色谱(GPC)等对共聚物的结构和分子量进行测试。结果表明,通过RAFT法成功合成了离子液体共聚物PMMA-b-PMEBIm-Br,且共聚物的分子量随共聚物中PMEBIm-Br链段长度的增加而增大。对膜的形貌、亲/疏水性及荷电性测试表明,PMMA-b-PMEBIm-Br共聚物膜为亲水性的荷正电致密膜。该膜的盐/水分离性能测试结果表明,随着共聚物中PMEBIm-Br链段长度的增加,膜对0.1 mol/L的NaCl溶液的渗透率由2.74×10-8cm2/s增加到1.94×10-7cm2/s；纯水通量由1.25 L/(m2·h)增加到4.2 L/(m2·h)；对0.03mol/L的MgCl2溶液的渗透通量由220 mL/(m2·h)增加到760 mL/(m2·h),但截盐率降低,由97%降到65%。2. PMMA-MWCNTs改性荷电复合膜制备及其盐/水渗透分离性能采用微乳液聚合法对碳纳米管进行功能化修饰,将甲基丙烯酸甲酯(MMA)接枝到碳纳米管(MWCNTs)上,制备PMMA-MWCNTs.以PMMA-MWCNTs为改性剂,采用溶剂蒸发法制备PMMA-MWCNTs/PMMA-b-PMEBIm-Br2荷电复合膜,并对膜的盐/水渗透性能进行了研究。采用红外光谱、热失重分析、X射线衍射、拉曼光谱以及透射电镜等对PMMA-MWCNTs结构及形貌进行测试,结果表明,PMMA已成功接枝到碳纳米管上。对膜的测试结果表明,碳纳米管在复合膜中分散性良好,膜吸水率随PMMA-MWCNTs添加量的增加而下降,由63%降到48.5%。对复合膜的盐/水渗透性能的研究结果发现,相对纯膜,复合膜的水通量明显提高,由2.75 L/(m2·h)上升到11.09 L/(m2·h),渗透通量降低,截盐率提高。但碳纳米管对复合膜的盐渗透率作用不明显,说明碳纳米管对构建复合膜的纳米水通道有利。3. GO-CS改性荷电复合膜制备及其盐/水渗透分离性能采用壳聚糖修饰的氧化石墨烯(GO-CS)为改性剂以提高离子液体共聚物复合膜的性能,并采用红外光谱、X射线衍射、拉曼、透射电镜、扫描电镜等对GO-CS及改性膜的结构和性能等进行测试。结果表明,壳聚糖成功接枝到氧化石墨烯上,GO-CS在复合膜中分散性良好且随添加量的增加,膜吸水率由63%降到47.7%。通过对复合膜盐/水渗透分离性能的研究发现,相对纯膜,复合膜水通量得到显著提高,由2.75 L/(m2·h)上升到18.76 L/(m2·h)。随着GO-CS添加量的增加,膜对NaCl渗透率降低,渗透通量降低,截盐率升高。与PMMA-MWCNTs改性的PMMA-MWCNTs/PMMA-b-PMEBIm-Br2复合膜相比,该膜对NaCl的渗透率和盐渗透通量均有所降低,截盐率更高。4.正渗透复合膜的制备及其盐/水分离性能采用GO-CS提高PES超滤底膜的亲水性能,以GO-CS/PES超滤膜为底膜,通过界面聚合法制备了具有超薄分离层的正渗透复合膜(TFC-FO),并对GO-CS/PES超滤膜和正渗透复合膜的水通量和截留性能等进行了测试。结果表明,GO-CS能有效提高PES底膜的亲水性和截留性能。改性后底膜的水通量由214 L/(m2·h)增加到333 L/(m2·h), BSA截留率由65.8%增加到99.5%。正渗透复合膜的性能测试结果表明,PES底膜经GO-CS改性后,复合膜水通量得到提高,由7.33 L/(m2·h)增加到20.53 L/(m2·h)；反向盐通量呈先增加后降低的趋势。当GO-CS含量为0.8%时,反向盐通量达到最大值,继续增加GO-CS添加量,反向盐通量开始下降。当以1mol/L的MgCl2溶液为驱动液时,反向盐通量由2.49 g/(m2·h)增加到4.21 g/(m2·h),然后降到1.54g/(m2·h)。