基于MOF改性的CuBTC/PVDF复合膜制备及其膜蒸馏抗污染性能研究

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膜蒸馏(Membrane Distillation,MD)是一种将传统蒸馏方法与膜分离技术相结合的分离技术,在海水淡化、盐溶液浓缩结晶、纯水制备等工艺中具有较大的应用前景。但是潜在的膜污染问题会降低膜蒸馏的通量及效率,其中有机污染物对膜的污染是阻碍膜蒸馏技术在实际生产中应用的重要因素之一。金属有机框架(Metal Organic Frameworks,MOFs)是由无机金属中心与桥联的有机配体通过自组装相互连接、形成具有周期性网络结构的多孔材料,CuBTC作为MOFs的一种,其良好的亲水疏油性能,将其附载于膜表面,将有望抵抗有机物污染,实现膜蒸馏过程的持续稳定运行。本文采用水热法合成了亲水性CuBTC金属有机骨架晶体,以聚乙烯醇(PVA)作为粘合剂,用抽滤的方法将不同含量的CuBTC晶体(0.2、0.4、0.6和0.8 g)附载在聚偏氟乙烯(PVDF)膜上,之后用戊二醛(GA)对PVA进行交联,制备出表层亲水、底层疏水的CuBTC/PVDF复合膜。对CuBTC晶体的结晶度纯度、比表面积、表面形貌,以及复合膜亲疏水性、孔径、孔隙率、表面粗糙度、表面特征、结构形态进行了表征。结果表明,CuBTC晶体有较高的结晶度和纯度、较大的比表面积以及特定的形貌特征;随着CuBTC的含量的增加,复合膜的孔径、孔隙率会逐渐减小,表面粗糙度会逐渐增大。当CuBTC的含量为0.6 g时,复合膜表现出良好的亲水疏油性能,在空气中水接触角为28.1°,水下油接触角为151.3°,且CuBTC晶体均匀、牢固地附载在复合膜表面。以35 g/L的氯化钠溶液为进料液,对原膜和复合膜进行直接接触膜蒸馏脱盐实验,CuBTC/PVDF复合膜具有和PVDF原膜相近的脱盐效果,截盐率高达99.99%,在48 h的脱盐实验中通量一直保持稳定,可以应用于长期的DCMD脱盐实验。为了考察CuBTC/PVDF复合膜的抗有机污染性能,分别选取原油、腐殖酸、海藻酸钠三种有机污染物作为研究对象,以含油高盐溶液(原油含量1 g/L,氯化钠含量35g/L)、含腐殖酸高盐溶液(腐殖酸含量50 mg/L,氯化钠含量35 g/L,氯化钙含量2.22g/L)、含海藻酸钠高盐溶液(海藻酸钠含量1 g/L,氯化钠含量35 g/L,氯化钙含量2.22g/L)为进料液,进行了直接接触膜蒸馏实验,并将原膜与复合膜抗污染性能进行了对比。结果表明,原膜不断被有机物污染,导致通量不断下降;而相同条件下,复合膜对三种有机物均表现出了良好的抗污染性能,通量保持在稳定的状态,可供直接接触膜蒸馏工艺处理有机废水的工业化应用选择和参考。
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