基膜结构调控对正渗透复合膜的性能影响研究

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正渗透(FO)膜技术作为一种可持续的分离技术已经吸引了越来越多的关注。正渗透膜技术具有能耗低,耐污染性能好,运行条件温和等优势,但水通量低、反向溶质通量高及内浓差极化严重等使得正渗透膜目前尚难以在工业中得到广泛应用。基膜作为正渗透复合膜的支撑层,其结构特性往往能够在很大程度上决定了正渗透复合(TFC-FO)膜的性能,因此调控改善基膜的结构是一种提高TFC-FO膜性能最有效的方法。如何实现更小的结构参数(提升孔隙率和降低孔道弯曲因子)和更高的亲水性,有效降低膜内浓差极化效应和膜表面污染带来的负面影响,是调控基膜结构特性的关键。本文研究了两种不同的相分离制膜方法下,不同含量的亲水性高分子聚乙烯醇缩丁醛(PVB)共混改性对醋酸丁酸纤维素(CAB)基膜结构特性及正渗透复合膜性能的影响规律。首先通过非溶剂致相分离法(NIPS)法制备了CAB/PVB共混基膜,铸膜液体系中PVB为共混高分子,聚乙二醇(PEG-400)为致孔剂,N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂。通过改变PVB含量调节基膜的结构和性能。结果表明:当PVB浓度为2 wt%时,基膜M2截面形成指状大孔且孔隙率较高,其纯水通量达到1265 L·m-2·h-1。该基膜进一步通过界面聚合形成的正渗透复合膜TFC-M2,表现出优异的结构性能:纯水渗透系数(A,1.08 L·m-2·h-1·bar-1)和结构参数(S,363.5μm),说明TFC-M2受到的内浓差极化效应最小。在1M Na Cl汲取液和活性层朝向汲取液(AL-DS)时,TFC-M2的水通量高达27.5 L·m-2·h-1,同时展现出较低的盐水通量比(Js/Jw,0.35 g/L)。其次,以己内酰胺(CPL)为稀释剂,采用复合相分离(即非溶剂致相分离联合热致相分离,NTIPS)法制备了CAB/PVB共混基膜。考察了PVB含量对基膜结构特性的影响,结果表明:基膜N2的结构有最好的连通性和亲水性。该基膜界面聚合后得到的TFC-N2膜,表现出良好的正渗透性能,AL-DS和AL-FS(活性层朝向原料液)模式下反向盐通量小(1.56 g·m-2·h-1和1.47 g·m-2·h-1)。最后,对以上两种制膜方法制备的TFC-FO复合膜进行了耐污染性能研究。以BSA为模型污染物,研究了AL-DS、AL-FS两种不同模式的膜污染行为,分析了膜污染阻力。结果表明,与AL-DS模式相比,AL-FS模式下膜污染程度更低,且更容易清洗并获得良好的性能恢复。总体而言,TFC-M2膜表现出优异的耐污染性能。
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