多孔與層狀納米材料填充混合基質(zhì)反滲透膜的研究.pdf

1、隨著淡水資源匱乏及水體污染等問題的日益嚴峻，反滲透技術(shù)在水處理過程中的應(yīng)用越來越廣泛，同時也對反滲透膜的性能提出了更高的要求。高通量、高截留率，并兼具耐污染性是反滲透膜材料的主要發(fā)展方向。然而，反滲透膜的各項性能之間往往存在著效益背反(trade-off)現(xiàn)象，利用傳統(tǒng)的膜改性方法很難同時提高膜的各項核心性能。針對這一問題，本文利用混合基質(zhì)的方法，選用了多孔分子篩和層狀粘土作為納米填充物，通過界面聚合法制備了混合基質(zhì)反滲透膜，將納米材料

2、作為一個新的自由度調(diào)控膜結(jié)構(gòu)與性能。
　　分別利用兩類具有不同孔道結(jié)構(gòu)分子篩的篩分作用，改善膜的分離性能;利用兩類具有不同荷電性納米粘土的電荷效應(yīng)，改善膜的耐污染性能，研究了不同納米材料對成膜過程、膜結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)的影響，分析了納米材料在膜內(nèi)的作用機理，并結(jié)合制膜條件和后處理工藝的優(yōu)化，獲得了具有高分離性能和耐污染性能的混合基質(zhì)反滲透膜。本論文的主要研究內(nèi)容包括以下四個方面:
　　(1)基于LTA型分子篩混合基質(zhì)反滲透膜的研

3、究。選用具有LTA結(jié)構(gòu)，孔道尺寸為4.1(A)的NaA分子篩制備混合基質(zhì)膜。針對NaA型分子篩在有機相溶液中易團聚的問題，采用十八烷基三氯硅烷對分子篩進行表面改性，提高了分子篩的分散性，使納米顆粒更有效的參與界面聚合成膜過程。在此基礎(chǔ)上，表征了膜結(jié)構(gòu)和分離性能，含改性NaA分子篩的膜形貌更加規(guī)整，親水性增強，當添加量為0.05％時，膜通量約為改性前的1.5倍，截留率也有所提高。最后，研究了分子篩孔道對膜分離性能的影響，證實了孔道篩分和界

4、面間隙具有減少滲透阻力并提高膜通量的作用，適宜的納米孔道結(jié)構(gòu)和良好的顆粒分散性是使分子篩在膜內(nèi)發(fā)揮效用的關(guān)鍵。
　　(2)基于FAU型分子篩混合基質(zhì)反滲透膜的研究。選用具有7.4(A)大孔道結(jié)構(gòu)的FAU型分子篩制備混合基質(zhì)膜。首先合成了粒徑150nm并具有FAU結(jié)構(gòu)的NaY分子篩，考察了粒子添加方式的影響，將NaY分子篩分散在水相溶液中更易獲得性能良好的復合膜。在此基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化單體溶液配比、界面聚合時間、分子篩添加量、后處理溶

5、液組成和二次熱處理條件等因素，膜的水通量從39.6 L/m2·h提高到86.0 L/m2·h，截留率保持在98.4％。最后，利用TEM和XPS表征了聚酰胺內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，分析了分子篩的分布趨勢和基質(zhì)對分子篩的包裹現(xiàn)象，并基于此提出了納米材料在成膜及分離過程中的作用機理。
　　(3)基于蒙脫石(MMT)混合基質(zhì)反滲透膜的研究。選用荷負電型粘土MMT作為無機添加物制備混合基質(zhì)膜。首先采用剪切力輔助溶脹處理這種“top-down”的方法將

6、MMT片層尺寸控制在200 nm，徑厚比20～40，片層具有荷負電性。在此基礎(chǔ)上，研究了MMT添加方式和添加量對膜結(jié)構(gòu)與性能的影響。MMT的添加使膜表面粗糙度提高，親水性增強，膜通量提高到51.7 L/m2·h，截留率為99.0％。最后，以疏水性蛋白和荷負電小分子有機物作為污染物，通過通量的衰減情況和污染前后接觸角變化研究膜的耐污染性，結(jié)果表明，含蒙脫石的混合基質(zhì)膜表面通過電荷排斥和親疏水排斥作用，減少了污染物的沉積，顯著提高了耐污染性

7、能。
　　(4)基于層狀雙氫氧化物(LDH)混合基質(zhì)反滲透膜的研究。選用荷正電型粘土LDH作為無機添加物制備混合基質(zhì)膜。首先采用快速成核、慢速晶化的“bottom-up”方法合成了納米級LDH，通過表征證明了粘土片層具有高結(jié)晶度，尺寸為100nm，徑厚比20～25，并具有荷正電性。將LDH分散在有機相單體溶液中通過界面聚合反應(yīng)成膜，LDH的添加對膜表面形貌和粗糙度影響不大，分離性能略有提高。膜表面Zeta電位和接觸角結(jié)果表明，荷正

8、電粘土LDH降低了膜表面的負電性并提高了親水性。對于陽離子表面活性劑污染物，得益于粘土片層與污染物的靜電排斥作用和膜表面整體荷負電性的削弱，污染物在膜表面的沉積減少，混合基質(zhì)膜的耐污染性能顯著提高。
　　(5)初步探究了同時含有多孔與層狀納米材料的混合基質(zhì)膜，并研究了兩類納米材料的協(xié)同作用。由于層狀粘土的阻隔作用可能會抑制分子篩的孔道作用，多孔與層狀納米材料兩相填充混合基質(zhì)膜的性能提高并不明顯。
　　綜上所述，本論文利用不同