多孔與層狀納米材料填充混合基質(zhì)反滲透膜的研究.pdf

1、隨著淡水資源匱乏及水體污染等問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，反滲透技術(shù)在水處理過(guò)程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，同時(shí)也對(duì)反滲透膜的性能提出了更高的要求。高通量、高截留率，并兼具耐污染性是反滲透膜材料的主要發(fā)展方向。然而，反滲透膜的各項(xiàng)性能之間往往存在著效益背反(trade-off)現(xiàn)象，利用傳統(tǒng)的膜改性方法很難同時(shí)提高膜的各項(xiàng)核心性能。針對(duì)這一問(wèn)題，本文利用混合基質(zhì)的方法，選用了多孔分子篩和層狀粘土作為納米填充物，通過(guò)界面聚合法制備了混合基質(zhì)反滲透膜，將納米材料

2、作為一個(gè)新的自由度調(diào)控膜結(jié)構(gòu)與性能。
　　分別利用兩類具有不同孔道結(jié)構(gòu)分子篩的篩分作用，改善膜的分離性能;利用兩類具有不同荷電性納米粘土的電荷效應(yīng)，改善膜的耐污染性能，研究了不同納米材料對(duì)成膜過(guò)程、膜結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)的影響，分析了納米材料在膜內(nèi)的作用機(jī)理，并結(jié)合制膜條件和后處理工藝的優(yōu)化，獲得了具有高分離性能和耐污染性能的混合基質(zhì)反滲透膜。本論文的主要研究?jī)?nèi)容包括以下四個(gè)方面:
　　(1)基于LTA型分子篩混合基質(zhì)反滲透膜的研

3、究。選用具有LTA結(jié)構(gòu)，孔道尺寸為4.1(A)的NaA分子篩制備混合基質(zhì)膜。針對(duì)NaA型分子篩在有機(jī)相溶液中易團(tuán)聚的問(wèn)題，采用十八烷基三氯硅烷對(duì)分子篩進(jìn)行表面改性，提高了分子篩的分散性，使納米顆粒更有效的參與界面聚合成膜過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，表征了膜結(jié)構(gòu)和分離性能，含改性NaA分子篩的膜形貌更加規(guī)整，親水性增強(qiáng)，當(dāng)添加量為0.05％時(shí)，膜通量約為改性前的1.5倍，截留率也有所提高。最后，研究了分子篩孔道對(duì)膜分離性能的影響，證實(shí)了孔道篩分和界

4、面間隙具有減少滲透阻力并提高膜通量的作用，適宜的納米孔道結(jié)構(gòu)和良好的顆粒分散性是使分子篩在膜內(nèi)發(fā)揮效用的關(guān)鍵。
　　(2)基于FAU型分子篩混合基質(zhì)反滲透膜的研究。選用具有7.4(A)大孔道結(jié)構(gòu)的FAU型分子篩制備混合基質(zhì)膜。首先合成了粒徑150nm并具有FAU結(jié)構(gòu)的NaY分子篩，考察了粒子添加方式的影響，將NaY分子篩分散在水相溶液中更易獲得性能良好的復(fù)合膜。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化單體溶液配比、界面聚合時(shí)間、分子篩添加量、后處理溶

5、液組成和二次熱處理?xiàng)l件等因素，膜的水通量從39.6 L/m2·h提高到86.0 L/m2·h，截留率保持在98.4％。最后，利用TEM和XPS表征了聚酰胺內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，分析了分子篩的分布趨勢(shì)和基質(zhì)對(duì)分子篩的包裹現(xiàn)象，并基于此提出了納米材料在成膜及分離過(guò)程中的作用機(jī)理。
　　(3)基于蒙脫石(MMT)混合基質(zhì)反滲透膜的研究。選用荷負(fù)電型粘土MMT作為無(wú)機(jī)添加物制備混合基質(zhì)膜。首先采用剪切力輔助溶脹處理這種“top-down”的方法將

6、MMT片層尺寸控制在200 nm，徑厚比20～40，片層具有荷負(fù)電性。在此基礎(chǔ)上，研究了MMT添加方式和添加量對(duì)膜結(jié)構(gòu)與性能的影響。MMT的添加使膜表面粗糙度提高，親水性增強(qiáng)，膜通量提高到51.7 L/m2·h，截留率為99.0％。最后，以疏水性蛋白和荷負(fù)電小分子有機(jī)物作為污染物，通過(guò)通量的衰減情況和污染前后接觸角變化研究膜的耐污染性，結(jié)果表明，含蒙脫石的混合基質(zhì)膜表面通過(guò)電荷排斥和親疏水排斥作用，減少了污染物的沉積，顯著提高了耐污染性

7、能。
　　(4)基于層狀雙氫氧化物(LDH)混合基質(zhì)反滲透膜的研究。選用荷正電型粘土LDH作為無(wú)機(jī)添加物制備混合基質(zhì)膜。首先采用快速成核、慢速晶化的“bottom-up”方法合成了納米級(jí)LDH，通過(guò)表征證明了粘土片層具有高結(jié)晶度，尺寸為100nm，徑厚比20～25，并具有荷正電性。將LDH分散在有機(jī)相單體溶液中通過(guò)界面聚合反應(yīng)成膜，LDH的添加對(duì)膜表面形貌和粗糙度影響不大，分離性能略有提高。膜表面Zeta電位和接觸角結(jié)果表明，荷正

8、電粘土LDH降低了膜表面的負(fù)電性并提高了親水性。對(duì)于陽(yáng)離子表面活性劑污染物，得益于粘土片層與污染物的靜電排斥作用和膜表面整體荷負(fù)電性的削弱，污染物在膜表面的沉積減少，混合基質(zhì)膜的耐污染性能顯著提高。
　　(5)初步探究了同時(shí)含有多孔與層狀納米材料的混合基質(zhì)膜，并研究了兩類納米材料的協(xié)同作用。由于層狀粘土的阻隔作用可能會(huì)抑制分子篩的孔道作用，多孔與層狀納米材料兩相填充混合基質(zhì)膜的性能提高并不明顯。
　　綜上所述，本論文利用不同