探究聚哌嗪酰胺复合纳滤膜制备及其性能表征

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1、郑州大学硕士学位论文聚哌嗪酰胺复合纳滤膜制备及其性能表征姓名：高爱环申请学位级别：硕士专业：化学工艺指导教师：刘金盾2002.5.15郑』生一奎堂堡主堂垡堡壅—，———-__●———_——__●_—●_———————_--，————_—-^-—_——__●-●———______————摘要f纳滤是近20年来发展起来的新型膜分离技术，其操作压力比较低(相对于反渗透技术而言)，可部分透过无机盐，对分子量为2009／tool以上的有机分子能实施有效截留。它的出现恰好填补了反渗透与超滤之间的空白。作为一种

2、新型膜分离技术，纳滤在工业领域的应用将会十分广泛。但就目前而言，其工业化规模较超滤或反渗透要小得多。尤其在我国，膜技术应用的整体水平还相当低，仅有个别厂家能够生产纳滤膜，且其性能与囤际上的商品纳滤膜还有一定差距。因此，新型纳滤膜研究是目前膜技术领域的研究热点。1本文以新型纳滤膜的开发为背景，重点研究通过界面聚合方法，在聚砜超滤膜基体上复合很薄的聚哌嗪酰胺选择层，并使其具有纳滤膜的结构和特征。实验采取正交设计及单因素优化方法，详细研究了聚砜基膜的制备条件，包括聚合物及溶剂的浓度、添加剂的选择、成膜条

3、件的优化：在界面聚合制备复合纳滤膜过程中，重点考察了单体浓度、聚合反应时间、表面活性剂浓度，酸受体的添加量等因素对纳滤膜性能的影响。理论方面，采用非平衡态热力学，描述纳滤膜内溶剂与电解质离子间的相互作用及影响，建立纳滤膜传质的数学模型。并结合纳滤实验拟合得到了相关的模型参数*，f／【为了制备高效复合纳滤膜，首先必须使用基膜作支撑体。基膜的孔结构对于后续的界面聚合制备复合纳滤膜影响很大。若基膜jL径太大，则在此基础上通过界面聚合难以形成无缺陷的选择层，从而严重影响膜的选择性；若基膜孔径太小，尽管有利

4、于界面聚合层的形成，但膜的通量会显著下降。因此，在基膜制备过程中，为了控制其微孔结构，需要详细研究成膜条件，包括聚合物，溶剂及添加剂的选择：成膜条件的探索及优化。基膜采用聚砜材料，制备则采用相分离方法。研究结果表明，铸膜液中聚砜浓度对基膜水通量的影响最为显著，其后依次是丙酮含量、溶剂蒸发时问、聚乙烯毗咯烷酮的含量。聚砜浓度越大、溶剂蒸发时间越长，所制基膜的郑州大学硕士学位论文水通量就越小：当添加剂丙酮和聚乙烯吡咯烷酮的浓度增大，聚砜基膜的水通量就会增大。在此基础上，优化得到聚砜基膜的制备条件为：聚

5、砜浓度14％(州％)、溶剂蒸发时间lo秒、丙酮含量O．3％(、vt％)、聚乙烯吡咯烷酮O25％f州％)。通过对基膜性能进行的系列实验表征发现：膜的水通量随着操作压力的增加而增加，两者呈现较好的线性关系；另外，实验还表明，膜对浓度为500ppm以下聚乙烯醇溶液的截留率达98％以上。纳滤膜性能的好坏，关键在于后续的界面聚合反应。影响界面聚合反应的因素很多，诸如单体的浓度、反应时间、反应温度、添加剂种类及浓度、酸受体的添加量等。本文采用间苯二甲酰氯和哌嗪作为聚合单体、以『F十二烷和纯水分别作为酰氯和哌嗪

6、的溶剂、以十二烷基苯硫酸钠为表面活性剂，氢氧化钠和碳酸钠作酸受体。根据界面聚合原理，在聚砜基膜上形成具有选择性的聚哌嗪酰胺薄层，该选择层具有纳滤膜的结构特征及性能。通过单因素实验确定的界面聚合优化条件为：哌嗪浓度0．12mol／1、酰氯浓度01moI／l；水相中酸吸收剂含量O．3％(、vt％)、表面活性剂含量0．1％(、vt％)；聚合反应时间210秒。该条件下制得的纳滤膜对NaCI的截留率为30％-50％：对Na2S04的截留率达90％；对聚乙烯醇则几乎完全截留。纳滤膜性能的表征实验结果显示：随着

7、操作压力的增加，膜的通量以及膜对电解质的截留率都会相应增加：而随着纳滤原料液浓度的增加，通量却有所降低，截留率也在减小。通过扫描电子显微镜(SEM)对界面聚合所制备的纳滤膜进行了结构表征，可以清晰地观察到在多孔基膜上所聚合的选择性致密表层。考虑到溶质和溶剂通过膜的传递属不可逆过程，因此只能用非平衡态热力学来描述其传递机理。本文根据非平衡热力学理论，运用线性唯象方程，从过程熵增加速率与过程推动力的关系入手，推导出纳滤分离过程中溶剂和溶质的通量表达式，即：Jv2LI，(AP一口△疗)(1)．，一v一5

8、-=LP(1一盯)△P+(∞一a￡P)△丌f2)Cs郑卅I大学硕士学位论文根据相关实验结果，可以拟合相应的模型方程，并求取上述模型参数，结果如下：Lp24．53~4．66：o-=O．40～O．44：彩=4．33。上述参数满足Onsager定律的限制条件。本课题研究为河南省高等学校杰出科研人才创新工程项目的一个重要组成部分，为新型纳滤膜开发及其工业应用奠定前期的理论和实践基础广一关键词：纳滤、膜◇制备、界面聚合、衾缸数学模型郑州大学硕士学位论文AbstractNanofiltrati