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本研究以壳聚糖为膜材料,丙纶织物为支撑体,用相转化法制备超滤膜,着重研究交联、乙酰化反应对壳聚糖膜性能的影响,通过控制成膜工艺制备强度高、分离性能好的N-乙酰化壳聚糖超滤膜,研究了制备条件及操作条件对其分离的影响,用实际印染废水检验壳聚糖超滤膜的应用效果,建立了超滤数学模型,为其在工业生产中应用提供理论和实验依据。
研究结果表明,在本实验条件下,以脱乙酰度(D.D)为90%的壳聚糖作膜材料,0.34mol/L的乙酸水溶液为溶剂,配成0.16mol/L的壳聚糖溶液后再以戊二醛为交联剂,TRG为改性剂,并分别添加乙酰化试剂及致孔剂,经搅拌混合均匀后作为铸膜液,分别在丙纶织布上流涎成N-乙酰化壳聚糖膜。膜在室温下让溶剂挥发到一定程度时,放入适当浓度的NaOH-CH3COONa水溶液中进行凝固浴处理,再经过低温冷冻等处理工序后的成膜,能提高膜的强度,改善膜的分离性能。经过改性处理,N-乙酰化壳聚糖膜明显优于壳聚糖交联复合超滤膜,所制得的N-乙酰化壳聚糖膜能与支撑体贴合良好,柔软性好,干、湿拉伸强度高,分离效果佳。
详细探讨了凝胶条件对壳聚糖膜分离性能及膜结构的影响,采用浓度为1mol/LNaOH-CH3COONa混合溶液为凝固浴、凝固浴的温度为10~15℃左右、凝固时间为1.5~2.0min左右的凝固浴处理工艺,可使壳聚糖超滤膜获得良好的分离效率和孔结构。
FTIR红外光谱和X-射线衍射分析表明,本实验条件下,戊二醛交联反应和乙酰化反应均在壳聚糖分子的氨基上进行,交联使壳聚糖膜的结晶度减小,而乙酰化反应则提高了膜的结晶度,并且使壳聚糖膜的物化性能得到进一步改善。
膜厚及膜面积对分离性能有影响,膜厚度太小,膜的渗透通量大而截留率低,且膜的强度小;膜的厚度太大,则由于固化时间的增长使膜表面产生缺陷而导致截留率降低。本实验条件下最佳的膜厚是20~30μm左右。而膜面积增大后,膜的渗透通量显著提高,采取连续进料方式,操作温度为室温、操作压力为0.3MPa,以酸性红B为分离介质,膜的渗透通量达到15.6mL/cm2.h,截留率达到95.3%。
研究结果还表明,分离介质的性质、浓度和膜的组成及分离操作条件是引起膜污染的主要因素,介质浓度增大导致膜的污染增强;膜的亲水性增强有利于降低膜的污染;膜的污染随操作压力和操作时间的增加而增大;通过对分离介质进行预处理、控制操作压力、用表面活性剂对膜面进行处理可以减缓膜的污染,膜的这种污染可通过物理和化学方法进行控制和清除。
以质量传递理论为出发点,结合浓差极化理论和渗透压模型,建立了N-乙酰化壳聚糖膜超滤酸性红B的数学模型,经检验,模型与实验数据拟合良好,利用该模型,根据物料特性和操作参数,可以基本准确地估算通量。