醋酸纤维素基共混改性超滤膜结构及性能研究

来源 :北京林业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:silversandcgliu
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超滤技术是目前应用最为普遍的水处理技术之一,具有高效、节能、成本低等优点。本研究选用绿色可降解的醋酸纤维素(CA)为膜基体,利用浸没-沉淀相转化工艺制备超滤膜。为了改善醋酸纤维素超滤膜在水处理应用中的不足,例如水通量低、抗压密性差以及易被污染等问题,采用共混改性的方法将添加剂与其共混,制备性能优异的醋酸纤维素复合超滤膜,并探讨共混聚合物之间的相互作用以及成键机理。氧化石墨烯(GO)具有丰富的含氧官能团,因此将其作为亲水添加剂对醋酸纤维素超滤膜进行共混改性。随着GO添加量的增加,CA/GO复合膜的亲水性能、水通量以及抗污染性能都有所提升。当添加GO的量为0.09 wt%时,CA/GO0.09膜的水渗透能力最强,为147.78 L/(m~2·h),相较于未改性的纯膜(98.99 L/(m~2·h))提高了49.29%。针对GO易团聚的现象,利用金属有机骨架(MOF)对GO进行改性制得复合纳米添加剂HKUST-1@GO,并探讨改性后的GO对复合超滤膜性能的影响。结果表明,MOF@GO可以有效提高膜的孔隙率以及孔径尺寸,提高膜表面的光滑度,改善膜表面的亲水性。在GO用量相同的情况下,CA/MOF@GO复合超滤膜的性能优于CA/GO膜。当GO(HKUST-1@GO)在膜液中占比为0.12 wt%时,纯水通量达到最高值,为183.51 L/(m~2·h),此时超滤膜的水通量恢复率(FRR)值为88.13%,膜的抗污染能力最强。以CA/GO和CA/MOF@GO复合超滤膜为研究对象,通过研究共混聚合物之间的相容性、流变性能以及成键方式,对超滤膜共混改性进行理论探讨。结果表明,铸膜液的非牛顿指数均小于1,为假塑性流体。并且通过计算证明亲水添加剂与CA铸膜液之间具有良好的相容性,即Δ[η]m≥0。添加剂与高分子聚合物之间主要通过氢键作用相互缠结,不仅可以改善超滤膜固有性能,还可以将添加剂的独特性能赋予超滤膜。制备不同木质素含量的木质纳米纤维素(LCNFs),均呈线性结构,且具有较高的结晶度。受木质素含量的影响,LCNFs的直径尺寸不同,其中LCNF4直径尺寸为3~40nm。将LCNFs与CA膜液共混,探究不同的木质素含量的LCNFs对复合超滤膜结构和性能的影响。结果显示CA/LCNF4的孔径最大,为45.97 nm,纯水通量和FRR值最高,分别为188.23 L/(m~2·h)和86.07%。同时,CA/LCNF4具有最高的抗拉强度7.08 MPa和最大的断裂伸长率12.21%,与纯膜相比分别提高了75%和76%。为了进一步提高膜的综合性能,将HKUST-1@LCNFs添加到铸膜液中,制备CA/MOF@LCNFs。与其它复合超滤膜相比较,M6的综合性能最优异,纯水通量为207.32 L/(m~2·h),FRR为90.56%,抗拉强度和断裂伸长率分别为7.83 MPa和13.12%,表明HKUST-1@LCNFs作为亲水添加剂在膜的共混改性应用中具有潜在的应用价值。
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