功能型尼龙基正渗透膜的制备及其正渗透性能的研究

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近年来,正渗透水处理技术因其不需额外的驱动力,以及相对较低的膜结垢趋势和较高的水回收率在水处理领域受到了广泛的研究和关注。而在正渗透膜中,薄膜复合型正渗透(TFC-FO)膜又以其经典的双层结构、易于改性等特点格外受到研究者们的青睐。目前已有将TFC-FO膜应用于水体脱盐、废水处理、发电、食品行业以及医药行业等研究,表明薄膜复合型正渗透膜有着极大的应用潜力。然而,在实际应用过程中仍面临着诸如浓差极化、膜污染以及反向溶质扩散等不利因素的挑战。本文针对TFC-FO膜所面临的主要问题,选择尼龙膜作为基膜制备正渗透膜,并采用两种新型的改性方法对尼龙基FO膜进行改性处理,提高膜的正渗透性能以及抗污抗菌性能。本文主要研究成果如下:(1)分别在聚醚砜(PES)、聚偏氟乙烯(PVDF)和尼龙(Nylon)商业滤膜上利用传统的界面聚合(IP)方法制备出典型双层结构的TFC-FO膜,主要通过测试其FO性能、机械强度以及表面形貌来判断是否适合进行改性处理。结果发现,商业尼龙膜的机械强度最高并且FO性能较好。在此基础上进一步探究了以尼龙为基膜的界面聚合条件,确定了浓度为6 wt%的间苯二胺(MPD)水相溶液和浓度为0.6 wt%的均苯三甲酰氯(TMC)油相溶液的最佳IP制备条件。之后,通过将牛血清白蛋白(BSA)/金纳米颗粒(GNPs)嵌入到该鸡冠状尼龙支撑膜上,制备了一种新型的薄膜纳米复合材料(TFN)正渗透(FO)膜。并且研究了BSA/GNPs掺入对TFN-FO膜表面形貌、表面粗糙度、表面电荷以及FO性能的影响。通过结果可得,改性FO膜的水通量在“活性层朝向汲取液”(AL-DS)模式下高达55.2±5.4 LMH,约为原始FO膜的五倍,水通量/反向盐通量(Js/Jw)的比值仅为0.034 g/L,表明了改性膜的正渗透选择性得到显著提高。位于尼龙支撑膜和聚酰胺(PA)表皮层之间的BSA/GNP提供了水传输通道,并增加了PA层的粗糙度和致密性,从而增加了渗透压作用的有效面积并减小反向盐通量。另外,位于支撑层底部的BSA/GNP在溶液中提供了几乎电中性的膜表面,减轻了稀释浓差极化现象。在这项研究中,选择具有特殊鸡冠状表面结构的尼龙膜作为支撑层,以负载BSA/GNPs纳米颗粒,为制备高分离性能的TFC-FO膜提供了一种简单有效的改性方法。(2)通过在多孔尼龙支撑层(孔径为5μm)中部分填充藻酸钙水凝胶(CA-gel),并且将银纳米线固定在底部,制备出一种水凝胶银纳米线改性正渗透膜。该膜支撑层表面上的CA凝胶有利于在界面聚合(IP)过程中形成更均匀且交联的PA表皮层,从而导致较低的反向盐通量和重金属离子的高排斥作用。此外,位于支撑层中的三维网络CA-gel在正渗透过程中膨胀并提供了水渗透的传输通道。并且固定在支撑层底部的银纳米线使膜具有抗菌性能。新型FO膜显示出高选择性,水通量显著增加,几乎是不添加CA-gel的原始FO膜的3倍。在四个FO测试循环后,水通量保持在原始水通量的85%以上(相比之下,原始FO膜为65%),表明具有良好的抗污性能。此外,该膜在FO工艺中获得了99%重金属排斥率,并且由于固定的银纳米线和支撑层的亲水性的共同作用,对大肠杆菌进行有效抑制,在含大肠杆菌的培养皿中出现了明显的抑菌圈,表明成功赋予膜抗菌的性能。
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