辐射法制备荷正电聚醚砜疏松纳滤膜及其染料/盐分离性能研究

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染料生产与使用过程中所产生的染料废水,具有盐度高、色度高、生物毒性大、生化降解难、抗光解、抗氧化、对环境污染严重等特点,是目前排放量最大、最难处理,也是最迫切需要处理的工业废水之一。常规水处理技术,如高级氧化、高效蒸发、吸附、催化、萃取、絮凝、焚烧等,不仅存在高能耗、高成本、分离效率低和二次污染等问题,且难以达到理想的处理效果。生物法处理染料废水也因其高盐度导致的高环境渗透压严重破坏微生物的细胞膜和菌体内的酶活性,抑制其正常的生理活动,而处理效率低下。因此,降低染料废水的盐度,增强其可生化性是生物法处理染料废水的技术前提。疏松纳滤技术因其低压操作、高渗透通量、对有机物/盐高分离选择性,在有机物脱盐处理领域中展现出独特的优势。然而,目前商用疏松纳滤膜存在渗透通量低、高价盐分透过率低等问题,且大多带负电荷,以致在实际应用中受到诸多限制,特别是难以处理含阳离子染料的废水。因此,研究和开发具有高渗透通量、高盐分透过率和荷正电的疏松纳滤膜材料及其制备方法是具有重要的应用价值。本课题首先通过辐射技术诱发丙烯腈(AN)的聚合反应改性聚醚砜(PES)粉体,后经刮涂-相转化法制备得到聚丙烯腈(PAN)改性的PES膜材料(M-PES),再对膜上的腈基进行胺基化处理最终得到荷正电的疏松纳滤膜(Amino-PES),并研究所得膜材料的染料/盐分离性能。具体工作内容包括如下三个部分:第一部分是研究伽马射线辐射改性PES粉体的动力学。首先将PES粉体与AN在水与甲醇溶液中充分混合得到反应液,经除氧密封和钴源室中辐照处理后,洗涤、过滤、干燥得到改性的PES粉体。通过傅里叶红外光谱(FTIR)、热重(TG)、元素分析(EA)以及X射线光电子能谱(XPS)等研究手段证明所得改性PES粉体中含有大量的PAN组分。通过调控反应液中PES含量、AN浓度以及辐照处理的吸收剂量,得到PAN负载率不同的改性PES粉体。实验结果证明,反应液中AN浓度对改性PES粉体中PAN含量的影响最显著。第二部分系统研究了改性PES的相转化成膜行为及其功能化反应。主要研究了铸膜液中改性PES的铸膜液浓度、PAN负载率以及刮涂厚度等条件对所得M-PES膜结构与表面性质的影响。在加热条件下,利用二乙烯三胺(DETA)与所得改性PES膜上的腈基进行胺基化反应,得到胺基化修饰的PES膜材料(Amino-PES)。通过元素分析和红外光谱等分析证实了改性PES膜被胺基化修饰;固体表面Zeta电位测试证明所得Amino-PES膜表面呈正电性。膜结构的微观形态分析证实所得M-PES膜和Amino-PES膜呈纤维化疏松多孔的内部结构。孔径分析结果表明,所得M-PES膜和Amino-PES膜的膜孔径主要分布在12-16nm之间和9-10 nm之间。由此可见,本课题所制备的改性PES膜材料具有明显的疏松纳滤膜特征。第三部分重点研究了Amino-PES疏松纳滤膜的染料/盐分离性能。研究结果表明,Amino-PES膜对刚果红、甲基蓝以及耐尔兰等染料的截留率均高达92%以上,对Na Cl、Na3PO4、Mg Cl2以及Mg SO4的透过率均超过95%,且渗透通量高达38.4 L/(m~2·h·bar),表现出良好的染料/盐分离特性。Amino-PES膜的稳定性研究结果证明该膜经受7 bar的操作压力和长时间的过滤操作仍保持较大的渗透通量和染料截留效率,而且在酸、碱或次氯酸盐溶液中浸泡3天后,仍保持稳定的渗透性和分离选择性,体现Amino-PES疏松纳滤膜良好的压力耐受性和化学稳定性。本课题通过辐射技术预先改性PES粉体,再通过刮涂-相转化法构建具有疏松多孔结构的改性PES膜材料,最后胺基化处理得到荷正电的PES疏松纳滤膜材料,并获得优异的染料/盐水分离性能。本论文的研究工作开发了一种有别于常规界面聚合技术制备高效疏松纳滤膜材料的、更简便的技术新途径,有助于推动疏松纳滤膜分离技术在废水处理、有机物回收、产品精制等多领域的实践应用。
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