高通量、高选择性纳滤膜的构建与分离性能研究

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纳滤以其效率高、能耗低、绿色环保等优势在水处理、食品工业、生物医药等领域被广泛应用。对工业废水深度处理,选择性地分离其中的某些成分,是缓解水资源短缺同时实现废水资源化利用的重要途径。因此,开发具有高通量、高选择性的纳滤膜具有十分重要的意义。本文基于优化表面性质、调节通道结构等策略,通过改进制膜方法、纳米粒子杂化和开发新型制膜单体的方法,制备了高通量、高选择性的纳滤膜。主要内容如下:(1)通过表面涂覆法将甲基丙烯酸磺基甜菜碱修饰的聚乙烯亚胺(PEI-SBMA)浸涂在聚丙烯腈(HPAN)基膜表面,同时用戊二醛(GA)对其进行交联,最后通过单宁酸(TA)表面修饰,制备了疏松纳滤膜。通过调节GA浓度和TA修饰时间分别优化了聚合物网络交联结构和表面荷电性。当GA质量浓度在0.52%,TA修饰时间为5 min时,膜在保持较高纯水渗透通量(118.5 LMH/bar)的同时,对酸性品红截留率高于99%,对Na Cl截留仅为6.05%,通量恢复率接近100%,显示出优异的染料/盐选择性和抗污染性。(2)将二硫化钼(MoS2)纳米点掺入水相与哌嗪(PIP)混合,再与均苯三甲酰氯(TMC)进行界面聚合反应,制备了纳米材料薄膜复合纳滤膜(TFN)。通过调节MoS2纳米点的氨基修饰量和浓度,优化了膜表面粗糙度和亲水性,构建了快速水传输通道。在最优条件下,TFN膜纯水渗透通量为24.98 LMH/bar,相比薄膜复合纳滤膜(Thin-film composite membrane,TFC)膜提升了2.5倍,同时对Cl-/SO42-选择性达到119.2。经过测试,该TFN膜能够在长期使用下保持优异的分离性能,表明MoS2纳米点能够稳定地存在于聚酰胺层中,形成结构稳定的复合纳滤膜。(3)开发新型界面聚合水相单体RCC3,使其与PIP以一定比例混合,再与TMC进行界面聚合,制备新型纳滤膜。由于RCC3是一种具有亚纳米级大环空腔的分子笼,通过调节RCC3/PIP比例,优化了膜的自由体积特性。当RCC3/PIP在水相中的质量比为2:1时,纯水渗透通量为52.55 LMH/bar,是PIP/TMC膜的5.2倍,对亚甲基蓝截留达98.6%,对Na2SO4截留仅15.54%,具有优异的染料/盐选择性,且由于极低的表面粗糙度(Ra=12.5 nm),该膜表现出良好的抗污染稳定性,渗透通量恢复率最终能稳定于87%。此外,该膜也具有优异的长期使用稳定性。
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