聚醚砜基小孔径超滤膜的制备及性能研究

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超滤膜在生物医药、废水处理、食品加工等行业有着广泛应用,作为膜分离领域的重要组成部分,超滤膜有着不可替代的作用。但对如细胞色素C、胰蛋白酶等这些分子量介于10k~30kDa的物质,用截留分子量高于该范围的超滤膜进行分离效果不理想,用纳滤膜则存在成本过高的问题,而截留分子量低于30kDa的小孔径超滤膜可实现对上述较小分子量物质的有效截留。本论文在非溶剂诱导相分离法(NIPS)的基础上通过共混的方式制膜,结合两种膜材料的优势,制备出相对于聚醚砜体系截留分子量更小的小孔径超滤膜。  首先,采用相转化法制备聚醚砜(PES)超滤膜并研究其性能。研究发现,随着铸膜液中PES质量分数的提高,膜的纯水通量不断降低,膜对牛血清白蛋白(BSA)的截留率不断增加。扫描电镜结果显示,随着固含量的增加,膜分离层厚度不断增加。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的加入使膜纯水通量呈现先上升后下降的趋势,对应的对BSA的截留率先下降后上升。挥发时间对膜的纯水通量影响较大,而BSA截留率变化并不明显。凝固浴温度对膜结构影响较大,当凝固浴温度高于30℃时,膜表面出现较大孔隙,膜对BSA截留率明显下降。最终确定制膜条件为PES质量分数为17%,PVP质量分数为1%,挥发时间为30s,凝固浴温度为20℃。在此条件下制备的PES膜的纯水通量是463.6 L/(m2·h·bar),对BSA的截留率是98.9%。  其次,采用相转化法制备聚醚砜/聚酰亚胺(PI)小孔径超滤膜并研究其性能。PI占总固含量比重决定了膜的截留率。在聚醚砜和聚酰亚胺总含量为17%条件下,PI所占比例增加时,膜通量先上升后下降,而对胰蛋白酶的截留率呈现先下降再上升的趋势。扫描电镜截面形貌显示,PI占固含量比例增加,膜的过渡层厚度明显增加,综合比较最终确定固含量中PI所占比例为10%。实验结果亦表明通过PES/PI共混可制备出对23kDa胰蛋白酶截留率超过80%的小孔径超滤膜,而纯水通量保持在150 L/(m2·h·bar)以上。迸一步考察总的固含量条件变化对膜性能的影响可知,膜的通量变化趋势与PES体系基本一致,随着固含量增加,膜的通量下降,而对胰蛋白酶截留率变化不明显。挥发时间及凝固浴温度条件对膜的通量影响较大,而对胰蛋白酶截留率基本维持在80%左右。最终确定共混膜制膜条件为PES和PI总固含量为19%,PI占总固含量的10%,挥发时间为30s,凝固浴温度为20℃。在此条件下制备的PES/PI共混膜的纯水通量是187.2L/(m2·h·bar),对胰蛋白酶的截留率是81%。  最后,考察小分子添加剂对聚醚砜/聚酰亚胺共混小孔径超滤膜的影响。乙醇及四氢呋喃的加入可以在一定程度对膜性能进行调节,但提升幅度不大。丙酮的加入可以同时明显提升共混膜的纯水通量和截留率,当丙酮的添加量为5%,共混膜的纯水通量为305.4 L/(m2·h·bar),此时膜对胰蛋白酶的截留率为91.2%。
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