自支撑NH2-MIL-125/聚噁二唑正渗透膜的制备及性能研究

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近年来,正渗透膜分离技术由于具有低能耗、低污染和高水回收率等优势得到了广泛关注。然而传统带有支撑层结构的正渗透膜在使用过程中出现的内浓差极化(ICP)问题却限制了该技术的推广应用,因此选用新型膜材料制备自支撑正渗透膜,以缓解使用过程中的内浓差极化现象,对提高正渗透膜的性能是至关重要的。本论文以具有优良的机械稳定性和热稳定性的聚噁二唑(POD)为膜基体材料,以具有多孔结构和良好亲水性的MOFs材料(NH2-MIL-125)为膜修饰材料,通过物理共混和化学键合两种方法对POD正渗透膜进行改性研究,以制备性能优异的自支撑正渗透膜。具体研究内容如下:(1)通过物理共混的方式将NH2-MIL-125引入POD-COOH正渗透膜中,采用溶液浇铸法制备系列NH2-MIL-125含量不同的自支撑NH2-MIL-125/POD-COOH复合正渗透膜。水接触角(CA)、Zeta电位和力学性能测试结果表明,复合正渗透膜表面亲水性和电负性得到改善,力学性能略有降低且保持在可控的范围内。正渗透实验结果表明,当NH2-MIL-125含量为3%时,复合正渗透膜的渗透性能和选择渗透性能最佳,其水通量(Jw)、反向盐通量(Js)和选择渗透性(Jw/Js)分别为27.4 L/m2·h、74.0 mmol/m2·h和370.3 L/mol。(2)通过化学键合的方式将NH2-MIL-125牢固地接枝在POD-COOH聚合物基体侧链上合成NH2-MIL-125/POD-COOH杂化材料,从而制备新型自支撑NH2-MIL-125/POD-COOH杂化正渗透膜。填料与聚合物基体间的强化学键作用使得功能性填料在杂化正渗透膜中保持纳米尺度的均匀分散,有益于其水渗透及盐截留功能的高效发挥。随着NH2-MIL-125含量的增加,杂化正渗透膜表面亲水性和电负性显著提升,力学性能维持在较高水平。正渗透实验结果表明,随着NH2-MIL-125含量的增加,杂化正渗透膜的水通量(Jw)提高,同时反向盐通量(Js)降低,极大地改善了正渗透膜的渗透性能,且当NH2-MIL-125加入量为10%时,膜的渗透性能最好,其水通量(Jw)、反向盐通量(Js)和选择渗透性(Jw/Js)分别为34.2 L/m2·h、28.3 mmol/m2·h和1208.4 L/mol。进一步,通过反渗透实验评价了10%NH2-MIL-125/POD-COOH杂化正渗透膜的水渗透系数(A)、盐渗透系数(B)和脱盐率(R)等关键性能参数,最终通过计算得到膜的结构参数(S)。研究发现,当10%NH2-MIL-125/POD-COOH杂化正渗透膜厚度为5μm时,其具有极低的结构参数(S)值为2.3μm,表明具有自支撑均相结构的杂化正渗透膜克服了正渗透过程中的浓差极化现象。
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