薄膜复合正渗透膜超薄选择层的结构优化与调控

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膜分离技术已被广泛应用于解决水资源短缺问题。基于膜分离技术,超滤、纳滤、反渗透和正渗透(FO)已在各个层面上实现了海水淡化和废水处理,而膜是膜分离技术核心之一。以聚酰胺(PA)为基础的薄膜复合(TFC)膜因其简便的制备过程和优异的分离性能而备受人们的青睐,在FO过程中也得到了广泛的应用,但通过传统的方法制备的TFC FO膜相对疏水,水通量较低并且易被污染,究其本质,是由PA层本体物化性质和表面结构造成的。因此,本文采用本体改性和表面改性的方法对TFC膜PA层进行改性以解决以上问题。首先采用冠醚作为共溶剂对PA层进行本体改性,冠醚的引入能够促进界面聚合,不仅增大了PA层粗糙度,提高了膜的有效渗透面积,而且还提高了PA层的自由体积,同时冠醚的固有亲水性也使PA层的亲水性得到改善,因此改性后膜的水通量提升效果显著。另外,促进界面聚合也能够提高PA层的交联度,进而使膜更致密,并且改性后PA层中的冠醚能够络合碱金属离子,提高了膜的截盐率。此外,随着交联度和亲水性的提升,膜的抗污染性能也得到了明显的改善。最后通过长时间FO性能测试和冠醚释放测试,对冠醚在PA层中的稳定性进行了评价,证明了冠醚改性膜能够长期有效使用。但是当冠醚浓度过大时PA层厚度也会变大,造成较大的传质阻力,从而降低水通量。接着针对冠醚浓度较大造成水通量降低的问题,本论文进一步将带有酸官能团的苯二胺(BDA)衍生物加入到界面聚合的水相中对PA层进行本体改性,通过限制水相单体在界面聚合中的扩散制备了更薄更致密的PA层,降低了膜的阻力传质,同时引入的酸官能团也提高了PA层的亲水性,从而使膜的水通量显著上升,而膜的反向盐通量也随着引入BDA衍生物后PA层致密程度更高而降低。然而,引入带有羧酸官能团的BDA衍生物却降低了膜的抗污染性能。为了改善膜的抗污染性能并进一步提高膜的分离性能,本论文采用表面改性的方法在PA层表面引入银离子,然后将其金属化和矿化,由于改性膜表面有大量的酸官能团,金属化和矿化程度较高,金属化不仅使膜的抗污染性能得到了改善,还显著提高了膜的抗菌性能,通过银释放证明了金属化后负载在PA层上的银纳米离子有非常好的稳定性。此外,矿化后引入的矿化层提升了膜表面亲水性和负电荷量,进一步提升了膜的分离性能和抗污染性能。
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