温敏性正渗透汲取液与高通量正渗透基膜的制备与表征

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正渗透过程是以半透膜两侧渗透压差为驱动力,无需外加压力或者仅需低压即可运作的过程。正渗透过程是低能耗、低成本的绿色分离提纯过程,但这依赖于合适的正渗透膜和汲取液的研发以及相关回收、操作系统的开发。目前,正渗透过程已经被应用于海水淡化、水处理、食品加工、制药行业以及发电等,因此,性能优良的正渗透膜和汲取液的开发与改善就变得更加迫切。本文首先制备了温敏性聚电解质溶液作为汲取液并测定了其正渗透性能,然后制备了高通量正渗透膜基膜,并深入研究了其高通量成膜机理。N-异丙基丙烯酰胺和不同量的丙烯酸钠共聚得到一系列聚电解质溶液,该聚电解质是温敏性的亲水材料,当温度低于其低临界溶解温度(LCST)时材料吸水溶胀,而高于其LCST时材料脱水收缩。聚电解质溶液的温敏性和亲水性使之可作为汲取液应用于正渗透过程中。吸水溶胀的聚电解质溶液使用加热超滤的方法在45℃和2bar压力下进行脱水。实验证明,丙烯酸钠含量为4%时得到的4%PNIPAM-SA (4-P)溶液的性能较佳,以纯水作为原料液的正渗透通量为0.347L·m-2·h-1(LMH),加热超滤的水回收率为65.2%。尽管聚电解质溶液水通量较低,但其温敏脱水能力使之具有应用潜力。通过共混20wt.%带电聚合物(磺化聚苯醚,SPPO)与80wt.%中性聚合物(商用超滤膜材料:醋酸纤维素,聚醚砜和聚偏氟乙烯)制备出高通量共混正渗透膜基膜(超滤膜),并对其形成机理进行了深入研究。该共混超滤膜表现出了优越的超滤性能。在同样的制备条件下,CA-SPPO共混膜的纯水通量为CA超滤膜的3倍,高达1432LMH; PES-SPPO共混膜的纯水通量为PES超滤膜的76倍,从PES膜的19LMH提升至1460LMH;而PVDF-SPPO共混膜则从79LMH提高至2386LMH,为PVDF超滤膜纯水通量的30倍。尽管共混所得的膜通量得到大大提升,但其截留率仅仅略微下降。SPPO共混膜孔隙率高、亲水性好,而且在膜上表面与底面之间形成了电场梯度,这一切正促成了高通量共混超滤膜的形成。孔隙率高、亲水性好的超滤膜是优良的正渗透膜基膜。
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