聚芳硫醚砜制备平板纳滤膜及其耐溶剂性研究

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20世纪80年代,人们在开发低压力反渗透膜的过程中,逐渐将纳滤(NF)的概念独立起来,纳滤的操作压力小于反渗透(RO)膜过程(<4 MPa),截留分子的大小在200到1000 D之间,主要包含盐类和小分子物质。作为一种简单高效节能的分离技术,传统纳滤膜主要应用于水体系的分离,但工业中也存在很多有机溶剂体系需要进行分离操作。因此,很多研究致力于赋予纳滤膜耐溶剂特性,开发制备更加适合在有机溶剂环境中进行分离操作的耐溶剂纳滤(SRNF)膜。  本实验采用聚芳硫醚砜(PASS)制备平板纳滤膜,PASS具有机械力学性能强、耐高温、耐腐蚀等特点,且PASS化学稳定性较好,可在甲苯等多种有机溶剂中保持稳定。本实验采用浸没沉淀相转化法制备PASS纳滤膜,其溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)。在膜制备过程中,本实验系统研究了聚合物浓度、滞空时间、铸膜液温度对膜微观结构与分离特性的影响。其中,较高的PASS浓度会制备出高截留率的纳滤膜,但其纯水通量较小;铸膜液温度升高会提高膜的纯水通量,降低膜的分离精度;而延长滞空时间则有利于膜截留性能提高,降低了膜的纯水通量。综合比较以上结果,得出最优制膜条件为:PASS浓度22 wt%,铸膜液温度为80℃,滞空时间为0s。在此条件下制备的PASS膜具有的分离特性为:5 bar压力下,其纯水通量可达到50.0 L·m-2·h-1,100 ppm刚果红(CR)水溶液通量为47.6L·m-2·h-1,其CR截留率为96.0%。进一步研究表明,PASS纳滤膜表面电荷为负电,膜对不同电荷的盐离子截留性能从高到低依次为SO42->Cl->Na+>Mg2+;膜具有约200nm厚的致密皮层,断面结构由靠近皮层的指状孔与靠近玻璃而的海绵状孔组成。在纳滤过程中,操作压力增大会提高PASS纳滤膜通量与截留率;而料液温度上升使通量增大,截留率下降,纳滤膜在50℃下可保持较好的分离性能,显示出较好的耐热性;在长时间的连续纳滤测试过程中,膜的通量衰减约20%;耐溶剂测试结果表明,PASS膜在所有选取的有机溶剂中均能保持较好的分离性能,其具有良好的稳定性与时间耐受性。有机溶剂和酸碱处理对纳滤膜的纯水通量有较大的影响,因溶剂的溶胀作用与膜表面亲水性改变所致,当有机溶剂对纳滤膜的处理时间延长后,膜溶胀程度增大而通量减小。在长期和短期耐溶剂测试中,膜的截留性能没有明显变化,能保持很高的截留率,表明其皮层未被破坏,显示出PASS纳滤膜具有良好的耐溶剂性能。此外,本文还测试了甲醇等有机溶剂在PASS纳滤膜中的透过速率,发现较大的分子量、粘度、表面张力会降低醇在膜中的透过速率。
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