GO/CNC聚酰胺薄层纳米复合纳滤膜制备及性能

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薄层复合(TFC)纳滤膜因分离性能优异、制备简单、易于优化调控等优势得到广泛应用,然而在实际使用过程中,仍面临渗透选择平衡效应限制、易污染、耐氯性差等问题,制约其进一步发展。为解决上述问题,本文利用纤维素纳米晶(CNC)对氧化石墨烯(GO)进行修饰,制备得到新型GO/CNC复合纳米材料。采用界面聚合法引入复合纳滤膜聚酰胺(PA)分离层中,旨在为低成本、高性能复合纳滤膜的性能改性提供理论依据。主要研究内容及成果如下:(1)在CNC酸解过程中加入不同比例的GO,研究GO/CNC复合纳米材料的性能。结果表明:CNC以表层覆盖及嵌入片层的方式与GO良好结合,并随CNC比例增大呈现网络层状结构;XRD与FTIR图谱中同时存在GO与CNC的特征峰,表明GO/CNC的成功复合。此外,复合材料中GO的层间距与负电性较纯GO明显增大。当GO/CNC质量比为1:25时,层间距由纯GO的0.88 nm增加至0.93 nm,Zeta电位高达-56.3 m V,分散稳定性较纯GO显著提升。(2)分别将GO、CNC及GO/CNC复合纳米材料均匀分散于哌嗪(PIP)水相溶液中,并与均苯三甲酰氯(TMC)进行界面聚合制备了薄层复合纳滤膜,对比研究了不同纳米粒子对PA-TFC对照膜表面形貌、结构性质与分离性能的影响。结果表明:与GO和CNC单一改性材料相比,GO/CNC改性膜具有更明显的凸起褶皱结构,更高粗糙度及亲水性。此外,复合材料中GO层间距的增大,提供水分子额外的跨膜传质通道。当GO/CNC添加量为0.005 wt%时,膜纯水通量达到38.45 L/(m~2·h),较PA-TFC膜与GO改性膜分别提升84.86%与53.92%,对Na2SO4和Na Cl截留率分别达95.47%和6.65%,Na2SO4/Na Cl选择分离性更高。(3)对GO/CNC(0.005 wt%)改性复合纳滤膜的运行稳定性、染料分离、抗污染及耐氯性进行评估。结果表明,改性膜在较高压力(0.6~1.0 MPa)及48 h连续运行过程中均能保持相对稳定的渗透通量和Na2SO4截留率。与PA-TFC膜相比,其对典型有机染料(刚果红、亚甲基蓝和罗丹明B)的渗透通量分别提升了80.63%,89.02%及94.86%,且未牺牲分离性能。牛血清蛋白动态污染测试显示改性膜运行28 h后,通量衰减率仅为33.10%,在线清洗后通量恢复率可达79%以上,抗污染性良好。经有效氯浓度为4000 mg/L的Na Cl O溶液(p H=4)氯化处理后,膜面仍保留着聚酰胺结构而无明显缺陷,16000mg/L·h氯处理强度下,归一化膜通量增加了13%,Na2SO4截留率仅下降约5%,表现出较为优异的耐氯性能。
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