界面聚合制備小孔徑復(fù)合超濾膜及其性能研究.pdf

1、目前小孔徑超濾膜主要通過相轉(zhuǎn)化法來制備,但這種方法制備的膜存在膜皮層較厚、通量低、耐壓密性差、膜材料親水性差等缺點(diǎn),嚴(yán)重制約了超濾膜技術(shù)在生物、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域中的應(yīng)用。因而,開發(fā)高性能的小孔徑超濾膜具有重要意義。本文采用界面聚合工藝制備小孔徑復(fù)合超濾膜,從功能材料入手,通過系統(tǒng)研究影響復(fù)合膜孔徑與膜性質(zhì)的因素,制備出了低截留分子量、高通量、表面親水的高性能小孔徑復(fù)合超濾膜;論文結(jié)合復(fù)合膜表面性質(zhì)表征和分離性能評(píng)價(jià)開展了對(duì)復(fù)合膜制備工藝

2、的優(yōu)化研究;采用錯(cuò)流滲透試驗(yàn),研究了小孔徑復(fù)合超濾膜對(duì)小分子肝素鈉、不同分子量染料的截留分離特性,為該類膜材料的實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。
　　 本論文復(fù)合超濾膜的制備是以聚砜膜(PSF)為支撐層,在PSF表面通過聚乙烯胺(PVAm)與哌嗪(PIP)組成的混合多元胺和均苯三甲酰氯(TMC)交聯(lián)形成復(fù)合皮層,最后經(jīng)過熱處理制備復(fù)合膜。實(shí)驗(yàn)考察了水相多元胺組成(PVAm與PIP比例)、水相濃度、熱處理溫度和時(shí)間、添加劑PVA2000(Mw=

3、2000 Da)的濃度等制膜工藝對(duì)復(fù)合膜分離性能的影響。通過在水相中導(dǎo)入大分子多元胺PVAm及調(diào)節(jié)水相中PVAm/PIP的比例,來調(diào)控復(fù)合膜孔徑大小,制備不同切割分子量、高通量的小孔徑復(fù)合超濾膜。使用接觸角測定儀、衰減全反射紅外光譜(ATR-IR)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線光電子能譜分析(XPS)和原子力顯微鏡(AFM)對(duì)復(fù)合膜表面進(jìn)行表征。分別采用無機(jī)鹽、PEG600(Mw=600 Da)、PEGl000(Mw=1000 Da

4、)、PEG2000(Mw=2000 Da)、PEG4000(Mw=4000 Da)和PEG6000(Mw=6000 Da)在0.5 Mpa、25℃下對(duì)復(fù)合膜進(jìn)行分離性能測試和復(fù)合膜截留分子量(MWCO)的表征。最后將實(shí)驗(yàn)制備的復(fù)合超濾膜用于低分子肝素鈉(Mw=4000 Da)水溶液的分離和不同染料廢水的處理,系統(tǒng)研究了復(fù)合超濾膜對(duì)肝素鈉水溶液和染料水溶液的分離性能。
　　 復(fù)合超濾膜表面結(jié)構(gòu)表征結(jié)果表明:通過PVAm和PIP與T

5、MC的界面聚合,可成功在聚砜多孔支撐膜上形成活性分離皮層,皮層由三種聚酰胺組成,分別是PIP-TMC、PVAm-TMC和PVAm/PIP-TMC。通過改變水相中PVAm的含量,可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合膜表面粗糙度的調(diào)節(jié),隨著PVAm的增加,復(fù)合膜的粗糙度降低。復(fù)合超濾膜表面呈親水性,其表面接觸角與聚砜超濾膜相比下降了30°左右。復(fù)合超濾膜表面具有兩性特點(diǎn),其等點(diǎn)電在pH=3和4之間,低于等電點(diǎn)時(shí)膜表面帶正電荷,高于等電點(diǎn)時(shí)膜表面帶負(fù)電荷。
　

6、　 復(fù)合超濾膜分離性能測試結(jié)果表明:通過調(diào)節(jié)水相組成可有效調(diào)節(jié)復(fù)合膜的孔徑。隨著水相PVAm/PIP共混物中PVAm的比例增加,復(fù)合膜孔徑增大、PEG截留率下降、通量增加。這是由于界面聚合是一個(gè)擴(kuò)散控制的過程,大分子多元胺分子量大且分子鏈長,不易擴(kuò)散到有機(jī)相反應(yīng),所以大分子多元胺與TMC形成的聚合物交聯(lián)密度小,使復(fù)合膜孔徑變大。由截留分子量表征結(jié)果證明我們已經(jīng)成功制備MWCO為1000、3100和5000Da的小孔徑復(fù)合超濾膜,它們的

7、純水通量分別為27.2、30.8和35.21/m2·h·bar,分離性能優(yōu)于文獻(xiàn)中報(bào)道的商業(yè)化小孔徑超濾膜。低分子肝素鈉溶液分離試驗(yàn)結(jié)果說明復(fù)合超濾膜對(duì)荷電溶質(zhì)的截留作用是由Donnan效應(yīng)和尺寸效應(yīng)共同作用的結(jié)果。隨著低分子肝素鈉溶液的pH值從3增加到11,MWCO為3100 Da的復(fù)合膜對(duì)肝素鈉的截留率從88.56％到99.11％,這是由于復(fù)合膜的表面負(fù)電荷隨pH值的增加而增加,Donnan排斥作用增大,因此帶負(fù)電荷的肝素鈉截留率越

8、大。
　　 復(fù)合超濾膜的染料分離試驗(yàn)結(jié)果表明:本文所制備的小孔徑復(fù)合超濾膜可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)染料分子與無機(jī)鹽的分離。MWCO為1000 Da復(fù)合超濾膜對(duì)亞甲基藍(lán)、羅丹明B、甲基紅、甲基藍(lán)和剛果紅的截留率分別為30.8％、68.1％、78.9％、97.3％和99.9％,而對(duì)NaCl的截留率低于20％,滲透通量分別為20.2、23.3、25.9、25.1和24.91/m2·h·bar。復(fù)合超濾膜對(duì)甲基藍(lán)和剛果紅有很好的分離效果,可有效將兩