论文部分内容阅读
基于反渗透膜过滤的脱盐技术是目前解决全球水资源短缺问题的主要手段,而高性能脱盐反渗透膜材料是降低制水成本的关键。然而致密的聚酰胺(PA)交联网络结构和较差的膜表面亲水性限制了通量的提高,同时聚合物膜存在通量和截盐之间的“trade-off”(平衡)现象。随着纳米技术的发展,纳米材料为调控界面聚合(IP)制备聚酰胺分离膜结构性质、亲水性、电荷和电荷密度、热和机械稳定性、孔隙率以及粗糙度等提供了新的途径,为解决膜通量和截盐之间平衡问题以及改善长期存在的膜污染问题提供了可能。本研究自主合成和制备新型纳米材料:零维碳点(CDs)和二维二硫化钼(MoS2)纳米片,构建新型薄壁反渗透纳米复合膜(TFN-RO),通过纳米材料增强薄壁反渗透复合膜(TFC-RO)结构和脱盐性能。以含间苯二胺(MPD)的水相和含均苯三甲酰氯(TMC)的油相通过界面聚合制备聚酰胺反渗透复合膜,研究了纳米材料性质、添加方式、添加浓度等对界面聚合制备反渗透复合膜的结构和表面形貌、膜表面物化性质以及脱盐性能的影响,并进一步优化工艺参数,得到可靠的高通量、高截留率反渗透复合膜。取得的主要研究结果如下: (1)优化界面聚合制备反渗透复合膜工艺参数。以实验室自制聚砜(PSf)超滤膜为基膜,在基膜上通过界面聚合反应制备反渗透复合膜。采用单因素分析方法研究了两相(水相、油相)单体浓度、水相干燥时间、界面聚合时间、热处理时间对反渗透膜分离性能的影响。优化工艺参数后反渗透膜平均水通量为60L/(m2h),盐截留率>98.5%(操作压力1.55 MPa,2000 ppm NaCl溶液进水)。 (2)碳点/反渗透复合膜(CDs-TFN RO)的制备与性能研究。采用水热法一步合成了尺寸约6.8 nm的零维亲水性碳点纳米材料。利用CDs的亲水性和纳米尺寸优势,将不同浓度(0,0.01,0.02,0.05,0.08 wt%) CDs添加在水相,通过界面聚合成功制备了CDs-TFN反渗透膜。碳点提高了TFN膜表面亲水性、降低了膜表面聚酰胺层厚度、使膜表面形貌由“叶子”结构转变为“谷峰”结构,呈现出更为开放式的膜表面。研究首次采用三维激发-发射矩阵荧光光谱(EEM)证明了CDs成功复合到反渗透膜表面分离层。在水相CDs添加浓度为0.02 wt%的条件下,通量达到87.1 L/(m2h),截盐率为98.8%,与未改性膜相比,通量提高了22.0%,截盐率提高了0.3%。最后通过调节水相CDs在基膜上的沉积时间,使反渗透复合膜的脱盐性能进一步提升。 (3)二硫化钼/反渗透复合膜(MoS2-TFN RO)的制备与性能研究。实验采用N-甲基吡咯烷酮(NMP)有机溶剂辅助液相超声剥离制备二维MoS2纳米片,控制不同超声时间得到了单层或少层的MoS2纳米片,尺寸在100-400 nm。将MoS2纳米片在基膜上堆积、添加在水相、添加在油相三种方式分别掺杂到反渗透复合膜中。考察了MoS2纳米片对反渗透复合膜分离性能的影响。结果表明:在基膜上堆积MoS2纳米片能构建双分离层(聚酰胺层和MoS2纳米片层通道),截盐得到提高,但通量显著降低;添加在水相的情况下,MoS2纳米片在分离层中随机分布,膜通量提高,截盐有所下降;而添加在油相的情况下,MoS2纳米片分布在聚酰胺表面,膜表面电负性增强。油相MoS2纳米片添加浓度为0.01wt%,膜通量由52.9 L/(m2h)提高到62.9 L/(m2h),截盐从98.01%提高到98.94%。