PEC/PVA多层复合半透膜的制备及其分离性能研究

【摘要】随着膜技术的应用领域的不断拓展，待分离体系趋向多元化和复杂化，对膜的分离性能和物化稳定性提出了更高的要求。与传统不对称膜相比，复合膜在分离性能、机械及化学稳定性等方面具有明显的优势，是目前膜技术领域的研究重点。本论文拟结合聚电解质（PEC）亲水性强、化学稳定性好、电荷可调以及聚乙烯醇（PVA）耐溶剂性能优良和成膜性能好的特点，研究制备具有良好分离性能和化学稳定性的PEC/PVA复合半透膜。论文以聚砜（PSF）超滤膜为支撑膜、以PVA和聚羧甲基纤维素钠（CMCNa）为功能膜材料、以戊二醛为交联剂，通过多层涂敷-原位交联的方式，制备CMCNa/PVA多层复合半透膜。采用场发射扫描电镜（FESEM）、原子力显微镜（AFM）、傅里叶变换衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）、接触角测量仪以及Zeta电位仪等仪器对CMCNa/PVA复合膜的微结构进行了表征。系统研究了制膜工艺参数，如PVA浓度、CMCNa浓度、交联剂浓度、催化剂浓度以及热处理温度等制备条件对复合膜分离性能的影响规律。然后，采用错流渗透实验，系统研究了复合半透膜的截留分子量以及对不同无机盐和阴离子染料的分离特性。最后，研究了CMCNa/PVA复合半透膜的抗BSA污染性能和化学稳定性。得到以下结论：（1）通过多层涂覆和CMCNa、PVA与戊二醛之间的交联反应，可成功在多孔聚砜基膜表面生成活性分离层，获得CMCNa/PVA多层复合半透膜。在pH为4-10的范围内，CMCNa/PVA复合膜表呈负电性。CMCNa/PVA复合膜表面光滑、致密。与单层CMCNa复合膜相比，多层CMCNa/PVA复合膜的活性分离层更为致密，对中性溶质具有更好的分离性能；与单层PVA复合膜相比，多层CMCNa/PVA复合膜的活性分离具有明显的荷负电特性，对不同价态的离子具有更好的选择分离性能；而与单层混合CMCNa+PVA复合膜相比，多层CMCNa/PVA复合膜具有更高的分离精度。（2）CMCNa/PVA复合膜的分离性能受PVA浓度、CMCNa浓度、戊二醛浓度、催化剂浓度和热处理温度等工艺条件的影响。PVA浓度和CMCNa浓度增加，膜对无机盐截留率增大、通量下降。增大戊二醛浓度和升高热处理温度，无机盐截留率升高、渗透通量下降。当催化剂浓度增加时，无机盐截留率先增大后减小。CMCNa/PVA复合半透膜的较优成膜条件为：PVA浓度=0.1w/v%、CMCNa浓度=0.1w/v%、戊二醛浓度=0.5w/v%、H2SO4浓度=1.0w/v%、热处理温度为60℃。所得的CMCNa/PVA复合半透膜的截留分子量为1980g/mol，在25℃、0.5MPa下，对500mg/lNa2SO4和NaCl溶液的截留率分别为97.8%和52.4%，纯水通量为47.7l/m2.h。（3）CMCNa/PVA复合半透膜对无机盐具有较好的选择分离特性，膜对不同无机盐的截留顺序为：RMgCl2(25.4%)<RNaCl(49.6%)<RMgSO4(90.7%)<RNa2SO4(97.2%)，CMCNa/PVA复合膜对无机盐的截留率随浓度的增加而下降。CMCNa/PVA复合半透膜对阴离子染料具有很好的脱除性能，膜对阴离子染料的截留顺序依次为：酸性媒介橙R（46.5%）<日落黄（96.2%）<刚果红（99.6%），可用于染料废水的处理。CMCNa/PVA复合半透膜还具有较优的抗BSA污染性能。在pH=9下，经过2000ppm·h的氯化处理后，CMCNa/PVA复合半透膜对Na2SO4和NaCl溶液的截留率和渗透通量几乎保持不变，显示出良好的耐氯性能。经过0.5mol/l的硫酸溶液和0.5mol/l氢氧化钠水溶液中24小时处理后，CMCNa/PVA复合半透膜保持较好分离性能，表明该膜良好的耐酸碱性能。
【作者】程棋波；
【导师】俞三传；
【作者基本信息】浙江理工大学，高分子化学与物理，2014，硕士
【关键词】多层复合膜；聚电解质；聚乙烯醇；聚羧甲基纤维素钠；溶液涂覆；原位交联；

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