基于金属配位作用的层层自组装纳滤膜的制备及性能研究

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纳滤膜因其具有独特的荷电性能和分离性能,在海水淡化和水处理方面有着广泛的应用。目前纳滤膜的制备方法有很多,层层自组装技术是近年来发展起来的一种制备聚电解质多层纳滤膜的简单、有效的方法,由于其具有制备过程简单、成膜物质丰富、膜厚度可控等诸多优点,得到了广泛的研究,并成为纳滤膜制备的一种重要方法。目前基于静电作用为推动力的层层自组装的研究最为广泛,但是除了静电作用外,还有配位作用、电荷转移作用、氢键、共价作用等也可以作为成膜驱动力。配位作用是一种相对稳定的作用力,并且金属离子的引入也可以使膜具备一些特殊的性能。因此本文主要采用层层自组装的方法,基于金属配体间的配位作用作为成膜驱动力,研究层层自组装技术制备聚电解质多层纳滤膜。本研究主要采用聚苯乙烯磺酸钠(PSS)和聚乙烯亚胺(PEI)两种聚电解质,以改性后的聚丙烯腈(PAN)为基膜制备层层自组装纳滤膜,通过X射线光电子能谱(XPS)、X射线能谱(EDX)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和接触角等方法分析组装过程机理,观察膜的表面形貌,并对膜的性能进行考察。首先制备了层层自组装纳滤膜(PEI/PSS(Cu)1/2)n,研究了铜作为过渡金属时自组装纳滤膜的性能。在实验中,首先考察了基膜的种类和沉积顺序的影响,结果表明,选用在35℃的NaOH溶液中改性90min的PAN超滤膜为基膜比较适宜;其次,考察了过渡金属离子的浓度、聚乙烯亚胺溶液的pH值和层数对制备的膜性能的影响,实验结果表明,过渡金属离子的浓度在0.2-0.4M之间,pH值为6时制备的自组装膜性能较优。沉积五个双层时,自组装膜在1.0MPa下对Na2SO4的截留率为84%左右,通量大约为65L·m-2·h-1,对NaCl的截留率为23%,通量大约为80L·m-2·h-1。然后对制备的膜进行表征,XPS谱图证明了自组装过程的驱动力为配位作用,接触角的交替变化反映了自组装的交替过程。SEM照片表明,静态沉积五个双层后,超滤基膜表面的孔已被覆盖,而且制备的膜膜面致密;AFM照片表明,膜具有很好的表面形貌。膜的抗菌实验表明,沉积了四层之后的膜就具有较好的抗菌性能。制备的多层膜在水中有较好的稳定性,可以在水中长期保存。经过戊二醛交联处理之后,膜的性能有了一定的提升,从SEM图片也可以看出膜面变得更加致密。为了制备性能更好的自组装纳滤膜,我们研究了二价铁离子作为过渡金属制备自组装膜(PEI/PSSFe1/2)n。采用二价铁离子作为过渡金属时制备的自组装纳滤膜的性能较为优异,沉积四个双层时,在1.0MPa对Na2SO4的截留率接近88%,通量在40L·m-2·h-1左右,对NaCl的截留率为28%,通量在45L·m-2·h-1左右。考察了硫酸亚铁铵的浓度对膜性能的影响,结果表明,硫酸亚铁铵的适宜浓度为0.06-0.08M之间。对制备的自组装膜进行表征,接触角的变化表明以PSS(Fe)1/2作为最外层时自组装膜具有很好的亲水性。SEM和AFM照片表明,制备的膜表面致密,粗糙度小,具有较好的表面形貌。对膜性能的测试结果表明,制备的自组装多层膜在较长时间的运行过程中,有较好的稳定性。膜在水溶液中有较好的稳定性。戊二醛交联后处理后,虽然膜的截留率有了一定的提升,但是通量下降比较明显。
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