RTIPS法制备MOFs材料共混的高性能聚醚砜膜及其表征

来源 :上海海洋大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:taowangqing
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在水净化方面,超滤技术凭借其高效的分离效果、低的能耗和占地面积小等优点成为了膜领域的研究热点。在各种聚合物材料中,聚醚砜(PES)因其卓越的性能而被广泛用于制备超滤膜。然而,PES材料固有的疏水性以及传统的制膜工艺(非溶剂致相分离法(NIPS)和热致相分离法(TIPS))所带来的缺陷导致制备的膜普遍存在严重的膜污染和渗透-选择的权衡效应,限制了PES超滤膜的发展。本研究为了解决严重的膜污染和减轻传统膜中存在的渗透-选择权衡效应,以逆向热致相分离法(RTIPS)为制膜方法,采用Pluronic F127(F127)和MOFs材料(HKUST-1和NH2-MIL-125)为共混改性剂,分别设计制备了PES/F127/HKUST-1和PES/F127/NH2-MIL-125两种具有抗污染、高渗透和高选择性能的亲水PES超滤膜。通过扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)、机械拉伸测试、通量、截留率和抗污染测试等手段,比较了RTIPS法和NIPS法制备的膜在性能和结构上的差异,以及系统研究了共混改性剂后对膜结构的影响和超滤性能的提升。具体内容如下:为了减轻渗透-选择的权衡效应,基于RTIPS法,采用F127和HKUST-1为改性剂构建了高性能PES/F127/HKUST-1超滤膜。F127作为亲水改性剂,通过亲水基团在膜表面形成水化层提高了渗透性和抗污性,同时HKUST-1中的Cu-O配位键由于在纯水中不稳定会引发框架坍塌形成具有规则尺寸的微孔隙,显著提高了渗透性和选择性。通过多种表征手段证明了HKUST-1的成功合成,以及HKUST-1和F127在PES膜中的成功引入。结果表明,与通过NIPS法工艺制备的膜所呈现的致密皮层和指状孔截面相比,通过RTIPS法制备的膜具有均匀多孔的表面和海绵状截面,使膜在机械性能、渗透性和选择性方面都要高于NIPS法的膜,显著减轻了渗透-选择权衡效应。F127的亲水性和HKUST-1框架坍塌形成的微孔隙在低的水接触角、高渗透性、高选择性和优异的通量恢复率(FRR)等方面发挥了重要作用。最优膜的通量和牛血清白蛋白(BSA)截留率分别达到了2378 L/m~2·h和89.3%,并且在经过循环测试后恢复率高达80%,其各项性能都远高于纯膜。总之,RTIPS法的应用以及F127和HKUST-1的添加不仅使膜获得了优异的抗污性能,而且还减轻了膜渗透-选择权衡效应,表明了改性后的膜是一种高性能PES超滤膜。以亲水性的F127和具有光催化活性的NH2-MIL-125为改性剂,通过RTIPS法构建了具有优异超滤、防污和自清洁的PES/F127/NH2-MIL-125膜。F127通过亲水基团来提高膜的亲水性和抗污性,同时光催化剂NH2-MIL-125通过吸收可见光激发产生活性物种对膜表面污染层产生破坏作用。表征结果表明具有良好光催化活性的NH2-MIL-125已被成功合成,其和F127之间的氢键束缚抑制了它的流失,具有规则孔道的NH2-MIL-125显著缓解了渗透-选择的权衡效应。由结果观察到,通过RTIPS法制备的膜具有海绵状截面和多孔表面,这种优异的结构有效解决了由NIPS法制备的膜具有的致密皮层和指状孔截面所引起的低通量和机械性能差的问题。相比于纯膜,经过F127和NH2-MIL-125改性后的膜在通量、截留率、恢复率、机械性、亲水性和抗污染性方面都能有明显的改善,其中最优膜的通量和截留率分别达到1511 L/m~2·h和85.3%。经过循环测试后,膜遭受了污染,但在可见光照射后催化剂产生的活性物种(·O2-、?+和·OH)破坏了膜表面的污染物,从而实现了自清洁功能,恢复率达76.91%。总之,基于RTIPS法,F127和NH2-MIL-125改性的膜在减轻渗透-选择权衡效应、提高超滤性能和自清洁方面非常具有应用前景。综上所述,基于RTIPS法制备的PES超滤膜在结构和性能方面比NIPS法制备的膜更为优异,且采用F127和MOFs为改性剂制备出的PES超滤膜具有良好亲水性、优异抗污染性、高渗透和高选择可兼容的特性。
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