聚酰胺中空纤维正渗透复合膜的制备及性能研究

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近年来随着正渗透技术的发展,对正渗透膜性能的要求也越来越高,正渗透复合膜以其优异的性能得到了越来越多研究者的重视。本文主要研究了聚酰胺中空纤维正渗透复合膜的制备、操作条件对膜性能的影响、以及在生活污水处理中的应用和其污染情况。分别选用聚醚砜和聚砜中空纤维膜为基膜,采用间苯二胺及均苯三甲酰氯作为水相和油相单体,通过界面聚合制备了聚酰胺中空纤维正渗透复合膜,并研究了单体浓度对所制备正渗透复合膜性能的影响。在此基础上,以最优化条件制备了小型中空纤维复合正渗透膜组件,并对其进行了性能测试。同时本文还研究了在不同测试条件下的最佳正渗透膜组件的性能。最后,将上述膜组件应用于城市生活污水处理,并对正渗透膜的污染情况进行了探讨。经研究发现,聚酰胺复合正渗透膜的最佳制备条件为:以聚醚砜中空纤维膜为基膜,单体浓度为间苯二胺(MPD)1.5%(w/w),均苯三甲酰氯(TMC)为0.1%(m/v),反应时间60s,后处理温度110℃-120℃。此时聚酰胺复合膜的活性层薄而致密,性能最为优良。当均苯三甲酰氯的浓度一定,改变间苯二胺的浓度(从0.5%逐渐增加到2.5%),正渗透膜的水通量随间苯二胺浓度的增加一直下降,反向盐通量也基本上呈现逐渐降低的趋势,而截盐率的变化不是很明显,几乎都保持在了98%以上。原因可能是,当间苯二胺浓度低时,形成的聚酰胺活性层过薄,对盐的截留效果不好;而浓度过高时,形成的聚酰胺活性层厚且不均匀,导致水通量下降。因此得出的制备聚酰胺复合正渗透膜表面活性层的最佳单体浓度为:间苯二胺水溶液浓度为1.5%(w/w),均苯三甲酰氯浓度为0.1%(m/v)。当选用聚砜中空纤维膜为基膜时,分别选择内外表面进行界面聚合,制备了外皮层、内皮层和内外双皮层聚酰胺中空纤维复合正渗透膜,结果表明内外双皮层中空纤维复合膜能兼顾相对较高的水通量和截盐率,但截盐率不尽理想,只有90%左右。在对复合膜的测试过程中,研究了膜的方位,汲取液的浓度及不同的汲取液对膜性能的影响。结果表明:当膜的支撑层朝向汲取液(即FO模式)时,膜的水通量较小,反向盐通量也较小;而当膜的支撑层朝向原料液(即PRO模式)时,膜的水通量较大,但反向盐通量也增大;保持其他测试条件不变,改变汲取液浓度,结果表明随着汲取液浓度的增加,膜的水通量随之增加,反向盐通量也随之增加;当保持测试条件中其他因素不变,分别选用相同浓度的氯化钠、氯化钾、硫酸钠、硫酸钾作为汲取液,结果显示随着两侧渗透压差的减小,膜的水通量减小;而随着离子水合半径的增大,反向盐通量随之减小,表明膜对其截留效果越好。将所制备的聚醚砜中空纤维复合正渗透膜用于城市生活污水处理研究,结果表明在FO模式下,虽然膜的水通量要比PRO模式下的低很多,但对污水中的氨氮、亚硝酸盐和磷酸盐的截留效果却要好很多。当保持其他测试条件不变,逐步提高蠕动泵的转速时,结果显示随着蠕动泵转速的增加,水通量随之增加,但是同时污水中的营养盐透过正渗透膜的量也会增加。总体来说氨氮的截留率基本在80%以上,亚硝氮的效果最好,截留率达到了97%左右,磷酸盐的截留率基本在93%左右。以腐植酸作为有机污染物,研究了正渗透过程中膜的污染情况,结果发现以聚醚砜中空纤维为基膜所制备的聚酰胺正渗透复合膜在整个污染测试过程中水通量下降幅度很低,表明其受污染程度很低。用清水简单清洗后,正渗透膜的性能基本恢复。扫描电镜结果也证明正渗透过程中污染情况较轻,污染物只是简单附着在膜的表面。
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