芳香聚酰胺中空纤维纳滤膜制备及其应用研究

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本文在综合分析国内外纳滤膜研究与发展的基础上,针对水处理领域对高性能、低成本纳滤膜的巨大需求,结合中空纤维膜比表面积高、制造简单、成本能耗低、效率高等特点,首次开展了以干湿相转化法制备芳香聚酰胺—聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)中空纤维纳滤膜,研究了铸膜液组成、配比及制备工艺参数对膜结构及性能的影响。在此基础上,开展了PMIA膜结构参数及性能评价和PMIA膜在印染废水和持久性有机污染物—全氟辛烷磺酸(PFOS)去除中的可行性研究,取得了如下创新性研究成果:  (1)以聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)为制膜原材料,系统考察了铸膜液中溶剂、聚合物浓度、有机添加剂和无机添加剂对铸膜液性质及成膜结构和性能的影响,研究并确定了空气浴、凝胶浴、牵引速度对膜结构及性能的影响,成功纺制出了一系列具有不同孔径、不同结构和性能的PMIA中空纤维膜。所制备的中空纤维膜孔径范围在0.5 nm~45 nm范围内,在0.7 MPa压力下,纯水通量在45 L·m-2·h-1~86 L·m-2·h-1之间,对Na2SO4的截留率在20%~69%之间。为中空纤维纳滤膜的制备提供了理论指导和技术数据支持。  (2)开展了PMIA中空纤维纳滤膜结构、分离特性及物化稳定性能的评价研究。结果表明,制备的PMIA中空纤维膜是孔径分布较窄的荷负电性纳滤膜,表面均一平整,机械强度高。对不同无机盐的截留顺序为:R(Na2SO4)>R(MgSO4)>R(NaCl)>R(MgCl2)。可有效实现SO42-与Cl-的分离。且PMIA中空纤维纳滤膜具有良好的耐压密性、耐酸碱性、耐有机溶剂性和耐高温性。  (3)系统开展了PMIA中空纤维纳滤膜处理印染废水的可行性研究,选取酸性红(CFB)、活性黄(RY3)及直接耐晒蓝(B2RL)三种阴离子染料作为去除研究对象,考察了料液浓度、pH值、温度、盐度等因素对膜去除染料分子的影响。结果表明,所制备的PMIA中空纤维纳滤膜对三种阴离子染料具有较好的分离性能。在压力1.0 MPa时,PMIA膜对CFB、RY3和B2RL的截留率分别可达到95.71%、96.88%和100%。通过PMIA膜的染料脱盐实验研究,结果表明,经过9个循环的恒容脱盐后,染料中的盐基本除净。  (4)依据纳滤膜对小分子有机物高截留率的技术优势,开展了PMIA中空纤维纳滤膜处理饮用水中新型持久性有机污染物——全氟辛烷磺酸(PFOS)的可行性研究,系统考察了料液浓度、pH值、离子强度等不同操作条件下,膜对水中PFOS的去除效果及膜通量的变化,分析了影响截留效率的因素并探讨了截留机理。研究结果表明,PFOS的截留率随着pH、PFOS初始浓度、Ca2+浓度、腐殖酸浓度的升高而升高。同时,Ca2+可与PFOS发生架桥络合作用,络合之后的分子尺寸变大,膜的筛分作用增强。当Ca2+浓度从0.1 mM提高至2.0 mM时,膜对PFOS的截留率可从97.10%提高至99.40%。通过吸附解吸实验表明,Ca2+及腐殖酸的加入提高了PFOS在膜表面的吸附,从而影响了膜通量和膜对PFOS的截留率。
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