新型无机-有机复合纳滤膜截留和抗膜污染机理

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纳滤(NF)技术可以有效去除水中绝大部分污染物,在饮用水深度处理方面具有良好的应用前景。常见的商品聚酰胺纳滤膜具有易受膜污染和受“透水性-选择性”权衡(trade-off)限制等缺点,制约了其应用范围。无机材料与有机高分子聚合物掺杂可提高膜的透水性或抗污染性等,但目前缺乏针对无机-有机复合纳滤膜机理和性能的系统性研究。本文选取/制备了三种代表性的无机-有机复合膜,通过一系列的表征、截留和抗污染实验等深入分析了其潜在的优势和不足及针对不同场合的适用范围。首先选用四种商品陶瓷纳滤膜(M-Si O2、M-Ti O2、LC1和LC2),对陶瓷纳滤膜性质和其对药物活性化合物(PhACs)截留效果的影响,膜抗污染性能以及膜清洗效果进行了全面的研究。结果表明,与常用商品聚酰胺膜相比,陶瓷膜的有效孔径较高、截留率和透水系数较低,但陶瓷膜具有高亲水性、低粗糙度和低表面负电量等特点,尤其是表面低羧基密度使其具有良好的抗污染性能。依据陶瓷膜实验所得结果,选取原子层沉积(ALD)法研究膜表面无机材料(Ti O2和Al2O3)改性方法对商品聚酰胺膜(SW30和NF270)结构和性质改变的机理和适用范围。实验表明,ALD的沉积条件,如沉积温度、沉积模式(暴露模式或连续模式)、沉积时间(进料时间和暴露时间)等,都会对最终的沉积结果产生影响,因此在沉积前需针对期望结果进行沉积条件优化。ALD技术可控性高,能够精确改变膜性质,即降低有效孔径、提高截留率等,但沉积后的膜无法突破纳滤膜“透水性-选择性”权衡。另一方面,ALD过程通过消耗膜上可与前驱体反应的羧基从而改变膜zeta电位,降低膜表面负电量的同时提高了膜抗污染性能。最后,选用金属有机框架材料(MOFs)对膜活性层进行整体掺杂改性。实验合成MIL-53(Al)、NH2-Ui O-66和ZIF-8三种理化性质各异的MOF材料,分别以混合-交联法和预沉积-交联法制备MOF-聚酰胺复合膜。MOF对膜性质的改变主要为降低聚合物交联度、提高膜表面羧基含量(表面负电量)以及提高活性层厚度和表面粗糙度。MOF材料在聚酰胺纳滤膜中的掺杂可以突破膜“透水性-选择性”权衡,但复合膜性质与MOF材料本身的窗口尺寸和亲/疏水性,以及MOF和聚酰胺间的相互作用等均密切相关。本文对新型无机-有机复合膜截留和抗膜污染机理及性能调控的系统性研究为后续针对污染物特性和应用场合的膜改性方案提供了借鉴和指导。
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