高性能有機汲取液的合成及正滲透應用.pdf

1、正滲透（FO）由膜兩側的滲透壓差驅使水分子從水勢高的料液側滲透到水勢低的汲取液側，從而實現(xiàn)溶液的自發(fā)分離，在能源和水處理方面具有巨大的應用潛力，引起了極大的關注。然而由于缺乏合適的汲取液導致FO長期沒有獲得實際應用。理想的汲取液要滿足分子尺寸大小合適，高的滲透壓水通量，低的反向溶質通量和易于低能耗回收等特征。傳統(tǒng)無機汲取液分子尺寸小極易穿過FO膜，產(chǎn)生嚴重的反向溶質通量和濃差極化，且只能通過反滲透回收，消耗大量能源。有機合成型汲取液易通

2、過結構修飾引入強親水基團，同時調控分子尺寸，達到改善溶解度，增強滲透壓和水通量，同時達到降低反向溶質泄漏的目的，已成為當前正滲透汲取液研究開發(fā)的熱點。
　　強親水性基團（如：-COOH，-PO3H2）在水中能釋放出離子而產(chǎn)生高的滲透壓。向有機結構中引入羧基和膦酸基是提高汲取液滲透壓的簡單而有效的方法。本論文先期探索了含羧基的分子尺寸不同的葡萄糖酸鹽對FO性能的影響；之后在分子水平上設計合成了系列不同尺寸結構的有機羧酸和膦酸鹽，其化

3、學結構經(jīng)紅外、核磁、高分辨率質譜表征。將其作為汲取液用于FO過程，有效改善了汲取液的溶解度，粘度，pH等物理化學性質，提高了汲取液的水通量，有效降低了汲取液的反向溶質通量，同時還適用于納濾回收。另外，試驗篩選了綜合性能突出的汲取液進行FO應用，考查汲取液的在不同領域的應用潛力。論文主要研究內容如下：
　　（1）探索可再生的天然化合物作為汲取液可有效擺脫目前大多數(shù)汲取溶液的存在反向溶質泄漏和回收過程高能源消耗的問題。本論文利用一系列

4、可再生的、無毒的葡糖酸鹽作為汲取液，進行了FO應用研究，并系統(tǒng)地研究了其物理化學性質（如溶解度，分子大小，粘度，滲透壓，濃度）、FO膜正反朝向和膜類型對FO性能的影響。相比葡萄糖，含羧基的葡萄糖酸鹽能產(chǎn)生更高的滲透壓和水通量；分子尺寸更大的葡萄糖酸鹽的反向溶質通量遠低于氯化鈉。此外，葡糖酸鉀汲取液被進一步應用于果汁再濃縮，并實現(xiàn)納濾回收。這項研究提供了關于使用天然可再生汲取液用于FO過程的有用信息，并促進其在食品加工領域的實際應用。

5、r>　　（2）通過簡單的兩步親核取代反應合成一類新型含不同羧基數(shù)目的有機羧酸鈉鹽（CASS），化學結構經(jīng)紅外、核磁、高分辨率質譜表征證實。系統(tǒng)研究了CASS汲取液濃度對滲透壓和粘度，以及FO性能的影響。通過優(yōu)化乙二胺四丙酸鈉鹽（EDTP）溶液pH值和計算pH變化過程中EDTP的組分分布，證實pH調節(jié)可有效改善其溶解度和滲透壓。在 PRO模式下，0.5g·mL-1的三乙烯四胺六丙酸鈉鹽（TTHP-Na）汲取液可產(chǎn)生23.07L·m-2 h

6、-1高水通量和0.75g m-2 h-1可接受的反向溶質通量。TTHP-Na汲取液被進一步用于含剛果紅染料廢水回收，并實現(xiàn)納濾回收，顯示出巨大的FO應用潛力。
　?。?）通過一步反應制備系列結構新穎、分子量不同的有機羧酸鈉鹽（OCAS）汲取質，其系列結構經(jīng)紅外、核磁、高分辨率質譜鑒定。通過優(yōu)化OCAS溶液特性，研究了pH值優(yōu)化、濃度變化對相關的FO性能的影響。四乙烯五胺七乙酸鈉鹽（STPH）和聚馬來酸鈉（PMAS）汲取液能產(chǎn)生高的

7、水通量和低的的反向溶質通量，優(yōu)于許多其他已報道的汲取液。在海水淡化試驗中STPH可穩(wěn)定產(chǎn)生9.7L·m-2 h-1水通量，表明其巨大的海水淡化應用潛力。此外，利用納濾能實現(xiàn)高截留率濃縮稀STPH和PMAS溶液，同時還探索了冷凍濃縮稀的STPH溶液。該項研究表明OCAS具有作為汲取液進一步開發(fā)的潛能。
　　（4）通過類Mannich反應一步合成一系列的有機膦酸鹽（OPSs），結構通過紅外和核磁表征確認，并作為新穎汲取液用于FO應用。