有机溶剂纳滤膜多层复合结构设计及分离性能研究

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有机溶剂纳滤是一种新型膜分离技术,用于有机溶剂中小分子分离。商品有机溶剂纳滤膜大多是采用相转化法制备的整体皮层非对称膜,膜皮层较厚,通量较低。有机溶剂纳滤复合膜由基膜和分离层组成,具有薄皮层、高溶剂通量和高溶质截留率的优点。本文以有机溶剂纳滤复合膜的制备为研究方向,通过皮层结构设计和制膜工艺优化,获得高溶剂通量、结构可调控、高效小分子脱除的有机溶剂纳滤复合膜。一方面,在水解聚丙烯腈(HPAN)基底上原位生长制备聚苯胺(PANI)有机溶剂纳滤复合膜。具体地,以苯胺为单体、过硫酸铵(APS)为氧化剂,在HPAN基底表面进行二次原位聚合形成双层PANI/HPAN复合膜。实验系统表征PANI/HPAN复合膜的表面化学组成、微观形貌、表面亲水性和荷电性,并考察苯胺浓度、生长时间和氧化剂比例对复合膜皮层结构和分离性能的影响。结果表明,PANI分离层厚度约为205 nm,呈现双亲性纳米颗粒结构。其中,采用0.2 M苯胺浓度、1 h生长时间和1/4氧化剂/苯胺摩尔比的制备条件获得最优的PANI/HPAN复合膜,乙醇渗透通量达14.9 L·m-2·h-1·bar-1,对RB的截留率为98.1%,对甲醇、异丙醇、正丁醇、丙酮、正己烷和甲苯等溶剂也表现出较高的渗透通量,截留分子量为500~600 Da。此外,该双层PANI/HPAN复合膜在强酸浸泡、超声振荡和连续过滤等条件下均保持良好的稳定性。另一方面,通过聚多巴胺(PDA)、PANI和共价有机框架(COFs)三种不同结构的聚合物改性HPAN基底,再利用界面聚合法制备聚酰胺(PA)分离层的有机溶剂纳滤复合膜。具体地,以聚乙烯亚胺(PEI)为水相单体,均苯三甲酰氯(TMC)为有机相单体,在不同结构聚合物改性中间层表面制备得到PA/PDA/HPAN、PA/PANI/HPAN和PA/COFs/HPAN三种有机溶剂纳滤复合膜。实验系统表征中间层和PA分离层的表面化学组成、微观形貌、表面亲水性和荷电性,并考察不同中间层、COFS种类和PEI分子量对PA复合膜分离性能的影响。结果表明,以PANI和COFS为中间层制备的PA复合膜的渗透通量较高,而以PDA为中间层制备得到的PA复合膜渗透通量最低。此外,通过COFS孔径和PEI分子量可实现对PA/COFS/HPAN复合膜分离性能的有效调控。制备得到的PA/Interlayer/HPAN复合膜的乙醇渗透通量最高达3.1 L·m-2·h-1·bar-1,对染料、原料药和天然色素的截留率高达94%以上,并且在强酸浸泡和连续过滤等条件下均保持良好的稳定性。
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