【摘要】：分離層制備過程及其結構調控是制備超薄復合納濾膜的關鍵所在。本研究以降低復合納濾膜分離層厚度,調控界面聚合過程為出發點,通過聚酰胺層雜化改性和支撐層結構優化兩個方面,調控界面聚合過程。同時,引入共價有機框架(COFs)材料,制備超薄復合納濾膜。對納濾膜的分離性能,物理化學結構進行分析表征,深入探究通過不同方式引入COFs對界面聚合過程的影響。一,通過雜化的方式,將親水性CTF-1引入聚酰胺分離層中,制備了高通量復合納濾膜。親水性CTF-1的引入改善了原有納濾膜的表面親水性,通過調控胺單體的吸附與擴散行為降低分離層厚度。斷面形貌圖證明復合納濾膜分離層厚度由238nm降低至164nm。此外,親水性CTF-1的引入干擾了聚酰胺高分子鏈段的空間排布,形成界面通道,有利于納濾膜通量的提升。而CTF-1內部規整的孔道結構為水分子的跨膜運輸提供了額外通道,有利于水分子的快速通過。優化后的納濾膜通量高達259.84 L m~(-2) h~(-1) MPa~(-1),對染料的截留率保持在90%左右。二,通過引入純COF親水中間層優化支撐層的多孔結構和親水性,調控界面聚合過程,降低了聚酰胺分離層厚度,制備了高通量、高選擇性復合納濾膜。COF中間層具有優異的水吸附能力,改善了原有支撐層的表面親水性,優化了支撐層對胺單體的存儲能力,從而調控胺單體的吸附與擴散行為。中間層改性后納濾膜分離層厚度最低達到43nm,最優通量高達413.85 L m~(-2) h~(-1) MPa~(-1),是空白PA/PES膜的3.38倍。同時,對Na_2SO_4和染料的截留率保持在90%以上。三,通過仿生粘合法構建了PDA-COF親水中間層,調控后續界面聚合過程,制備了高通量、強穩定性復合納濾膜。PDA-COF親水中間層不僅優化了支撐層的多孔結構和親水性,還顯著增強了聚酰胺分離層與PAN支撐層的界面相互作用,有效提高了復合納濾膜的結構穩定性。斷面形貌圖證明了復合納濾膜的分離層厚度由79nm降低至30nm。同時,XPS表征證明聚酰胺分離層的交聯度增大。最優化的納濾膜通量高達207.07 L m~(-2) h~(-1) MPa~(-1),而對Na_2SO_4(93.41%)和染料(94.47%)仍保持高的截留率。此外,PDA-COF中間層的引入使得改性后的納濾膜在乙醇處理16天后仍保持優異的結構穩定性。
【圖文】：

天津大學碩士學位論文0μm 紅細胞和細菌。超濾和微濾的膜分離過程相似，都是通過膜孔粒子進行篩分[5]。但超濾膜的膜孔直徑約為 0.01-0.1μm，除了有效截大的粒子和微生物外，還可以將溶解的生物大分子脫除，如致熱源，毒（約為 0.01-0.2μm)等[6, 7]。超濾在污水處理、食品加工、蛋白質分程等方面都得到了廣泛的應用。與超濾和微濾不同，納濾的分離機理分和 Donnan 效應。納濾技術主要應用于高價離子與低價離子的分離機物脫除。與微濾、超濾和納濾等多孔膜相比，反滲透膜具有更高的致約為 0.0001-0.001μm。可以有效去除水體中的無機離子及 0.1~2nm 的物質。反滲透技術廣泛應用于海水淡化，苦咸水淡化，電子、制藥工的制備等領域。

1.2.1.1 界面聚合界面聚合法是目前最常用、最有效的制備商用納濾膜的方法，具有操作簡便、易于工業化的優點[18]。界面聚合反應是通過水相活性單體向有機相中擴散，在有機相側與酰氯發生聚合反應，從而在基膜形成超薄的致密分離層。根據文獻報道[19]，兩種高活性單體之間的界面聚合速率常數大于 104m3kmol-1s-1，這使得界面聚合反應過程在動力學上是不可控的。由于界面聚合反應速率較快，但是水相活性單體向有機相的擴散過程為該反應的控速步驟，決定最終聚酰胺層的形成，屬于擴散控制反應。而界面聚合反應所生成的分離層將決定納濾膜的分離性能和滲透性能[20]。當前采用界面聚合法制備的分離層主要為聚酰胺層，常用的水相單體為脂肪族/芳香族二胺，，例如哌嗪（PIP）、間苯二胺（MPD）、對苯二胺（PPD），有機相單體為酰氯，例如均苯三甲酰氯（TMC）、間苯二甲酰氯（IPC）[21]。其中 PIP 和 TMC 是制備商業化聚酰胺復合膜中最常使用的兩種單體，圖 1-2 為界面聚合法制備聚酰胺復合納濾膜的示意圖。
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：X703;TQ051.893

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本文編號：2682715