【摘 要】
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复合纳滤膜支撑层和分离层的制备过程以及结构的调控是制备高性能有机溶剂纳滤膜的关键。本研究分别对支撑层和聚酰胺分离层进行了结构设计和制备工艺优化,采用离子液体辅助界面聚合的方法,制备超薄复合纳滤膜。并对纳滤膜的分离性能及物理化学结构进行分析表征,深入探究了不同单体的组合及水相聚乙烯亚胺(PEI)单体中引入过渡金属离子对界面聚合过程的影响机制。首先,采用亲水性离子液体1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐([E
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(No.21808072); 福建省自然科学基金项目(NO.2019J01075);
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复合纳滤膜支撑层和分离层的制备过程以及结构的调控是制备高性能有机溶剂纳滤膜的关键。本研究分别对支撑层和聚酰胺分离层进行了结构设计和制备工艺优化,采用离子液体辅助界面聚合的方法,制备超薄复合纳滤膜。并对纳滤膜的分离性能及物理化学结构进行分析表征,深入探究了不同单体的组合及水相聚乙烯亚胺(PEI)单体中引入过渡金属离子对界面聚合过程的影响机制。首先,采用亲水性离子液体1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐([EMIm][OAc])代替传统有机溶剂溶解聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)形成铸膜液,通过非溶剂诱导相转化的方法制备孔径在7-11 nm范围内的PMIA支撑层。在界面聚合制备分离层的过程中,通过两条创新手段制备高通量的复合纳滤膜:(1)使用疏水性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲烷磺酰亚胺盐([BMIm][Tf2N])作油相溶剂;(2)在两相溶液中使用混合单体。研究发现[BMIm][Tf2N]比传统有机溶剂的粘度更高,能有效降低油相单体的扩散速率,从而降低分离层厚度(40 nm的厚度)。此外在水相和油相溶液中使用混合单体能有效的调节分离层的孔结构,增加膜的孔隙率。结果表明,优化后的复合纳滤膜对刚果红具有99.9%的截留率,并且能显著提高乙醇的渗透性能(2.15 L·m-2·h-1·bar-1)。重要的是,离子液体相比正己烷作油相溶剂制备的TFC膜,在截留率相同的情况下,乙醇渗透性能提高了约3倍,而且在测试不同有机溶剂的渗透性能时,该复合膜也表现出良好的耐受性和稳定性。其次,在水相PEI溶液中引入过渡金属离子(Mn+=Co2+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Mn2+、Fe3+),与PEI单体配位合成水相配合物PEI-Mn+,降低PEI单体在界面聚合时的扩散速率及反应活性从而使分离层的厚度降低(33 nm的厚度),进而制备超薄的复合纳滤膜。重要的是,在有机溶剂纳滤(OSN)测试中,添加Co2+制备的TFC膜对分子量>500 Da的各种染料均保持高截留率(>99%),并且与未添加Co2+制备的TFC膜相比,渗透性能提高了约4倍。此外,采用经典分子动力学模拟发现,在PEI溶液中加入Co2+后,PEI单体的扩散系数在配位作用下降低了18.4倍,。此外,该复合膜在测试不同有机溶剂的渗透性能时,也表现出良好的耐受性和长周期运行稳定性。因此,通过在PEI水溶液中添加过渡金属离子再进行界面聚合制备所得的TFC膜在OSN的制备中具有较大的应用潜力。
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