基于配位作用的层层自组装正渗透膜制备与应用

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与压力驱动的膜分离技术相比,正渗透(FO)技术不需要外加压力作为分离驱动力,并具备能耗低、水回收率高、污染倾向低的特点。FO技术不仅在水处理领域获得了重视与关注,也在其它应用方向上具有很大的发展潜力。层层自组装(LBL)技术是一种自上世纪90年代快速发展起来的表面修饰方法,是利用带电基膜在带相反电荷的聚电解质溶液中交替沉积制备多层膜的制备技术。配位作用是一种相对稳定的LBL技术推动力,常用于纳滤工艺中。然而,即使近年来LBL技术开始用于FO膜的制备,但尚未出现配位作用参与沉积过程制备的LBL-FO膜的相关报道。本文基于金属离子配位作用,采用聚乙烯亚胺(PEI)和聚苯乙烯磺酸钠(PSS)两种聚电解质,以改性的聚丙烯腈(PAN)为基膜制备LBL-FO膜,通过扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、接触角、X射线光电子能谱(XPS)、红外光谱(FTIR)等表征方法分析自组装机理,观察膜的表面形貌,并对膜的性能进行考察。经过研究,当使用0.50M的MgCl2溶液作为汲取液、去离子水作为进料液时,FO模式下以配位作用作为成膜推动力的LBL(PEI/PSS(Cu)1/2)3FO膜的水通量可以达到约16LMH,反向盐通量低于1.5gMH。得到的LBL (PEI/PSS(Cu)1/2)3FO膜的最佳制备条件为:聚电解质单层沉积时间为10min,支撑电解质NaCl浓度为0.50M,配位剂CuCl2浓度为0.20M,聚电解质PEI和PSS浓度均为1.00g/L,PEI溶液pH值为9。FO模式下LBL (PEI/PSS(Cu)1/2)4 FO膜的水通量可达到约11LMH,反向盐通量低于1.3gMH。经过GA交联,FO模式下LBL(PEI/PSS(Cu)1/2)3x FO膜的水通量可达到约12LMH,反向盐通量仅为1.25gMH, PRO模式下水通量可达到约14LMH,反向盐通量低于6gMH。其中,最佳的GA交联剂浓度与交联时间分别为1.0%和30min。LBL (PEI/PSS(Cu)1/2)3 FO膜与LBL(PEI/PSS(Cu)1/2)3x FO膜对一价离子的截留能力均较差。SEM照片表明,LBL (PEI/PSS(Cu)1/2)3FO膜的表面形貌良好,不存在明显膜孔,致密层的致密性较高。AFM照片表明,相比于改性基膜,LBL(PEI/PSS(Cu)1/2)3 FO膜表面粗糙度提升,比表面积增加,有利于水分子的扩散。LBL(PEI/PSS(Cu)1/2)3 FO膜的表面接触角较小,膜具有较好的亲水性。由FTIR和XPS结果表明,PSS(Cu)1/2与仲胺基团间优先发生了配位作用,推动自组装过程的进行。LBL (PEI/PSS(Cu)1/2)3 FO膜在海水淡化中的应用存在一定限制,但是通过增加自组装膜层数或采用GA交联后处理,可以提高该膜在海水淡化应用中的性能。利用自组装膜的特性,LBL (PEI/PSS(Cu)1/2)3 FO膜在低聚糖溶液浓缩脱盐应用中具有较高的实际应用价值。
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