正渗透薄膜复合膜基膜的改性及其性能研究

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渗透压差驱动的正渗透(FO)过程凭借其低能耗、高效率和低污染倾向等优势,近些年来受到大量的关注与深入的研究,并且在污水处理,海水淡化及食品加工等领域有广泛应用。然而高性能FO膜的缺乏在很大程度上限制了FO技术的进一步发展。由间苯二胺(MPD)和均苯三甲酰氯(TMC)在聚合物基底上通过界面聚合制备的薄膜复合膜(TFC)凭借其良好的化学稳定性和分离性能等优势受到研究者的青睐,成为目前主流的FO膜。然而,正渗透薄膜复合膜(TFC FO)往往存在基膜孔隙率低、亲水性不佳,聚酰胺(PA)选择层生长不均匀等问题,导致严重的内浓差极化(ICP)和反向盐通量,从而造成TFC FO膜在FO过程中水通量小,反向盐通量大,通量衰减严重等问题。因此,本论文通过对基膜的两种不同改性策略来解决上述问题。一方面,通过引入碱式碳酸铜(Cu2(OH)2CO3)颗粒对基膜进行本体改性,并用盐酸进行表面刻蚀,制备孔隙率高、亲水性佳的基膜和交联度大、表面光滑的选择层,以期得到高水通量、低反向盐通量和低污染倾向的TFC FO膜;另一方面,通过对汲取液侧基膜表面电荷进行优化,根据实际使用过程中不同的汲取液溶质,选择表面电荷适宜的FO膜,以期减小反向盐通量,提升TFC FO膜的正渗透性能。首先,本论文研究了基膜本体的孔隙率提升改性。通过在基膜中引入Cu2(OH)2CO3颗粒,并用盐酸对基膜表面的Cu2(OH)2CO3颗粒进行刻蚀,在基膜中引入更高的孔隙率,并提升了基膜的亲水性,减小了ICP的不利影响。并且基膜中的Cu2(OH)2CO3颗粒对MPD分子具有吸附作用,界面聚合过程中,基膜可以吸附更多的MPD分子并限制其向有机相的迁移,促使生成的TFC FO膜的选择层交联度大、致密性高,并且表面更光滑,TFC FO膜的反向盐通量和正渗透水通量的比值更小,FO性能更好。并且在24 h的动态抗污染过程中表现出更高的水通量保持率,表明了改性后的膜在实际污水处理过程中的优势。此外,还研究了基膜在汲取液侧的表面电荷改性。通过汲取液侧基膜表面接枝聚乙烯亚胺(PEI)与不同有机磷酸的改性,对其表面电荷性质进行优化,对汲取液的溶质离子产生静电作用阻碍其扩散,从而减小反向盐通量。在此基础上,进一步探究了膜表面的电荷性质差异在不同溶质类型的汲取液条件下对FO性能的影响,结果显示,当膜表面电荷性质与汲取液溶质在分离过程中起主导作用的离子所带电荷性质相同时,FO性能最好。
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