杂萘联苯聚芳醚砜酮复合反渗透膜的制备与性能

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目前,市售商品复合反渗透膜通常以聚砜(PSF)作为支撑层材料。在室温下,这种复合膜具有较好的性能,但由于聚砜热性能的限制无法在高温下使用。本文采用耐热性能优异的杂萘联苯聚芳醚砜酮(PPESK)作为支撑膜材料,制备耐高温复合反渗透膜。通过优化界面聚合工艺、引入添加剂和对PPESK支撑膜进行羟基化改性等方法,获得性能较为优异的复合反渗透膜。具体内容如下:(1)以PPESK作为膜材料,以N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂、乙二醇甲醚(EGME)作为添加剂,采用浸没沉淀相转化法进行PPESK多孔膜的制备。通过优化铸膜液组成和制膜条件,确定了最佳的制膜工艺,即PPESK含量22 wt%、EGME含量17wt%、NMP含量61 wt%、温度15℃、湿度32%、凝胶浴温度12℃。据此制备的PPESK超滤膜的截留分子量为60 KDa,纯水通量为200 L/(m~2·h),作为复合膜的支撑膜使用。(2)以PPESK支撑膜为基础,分别以间苯二胺(MPD)和均苯三甲酰氯(TMC)为水相和有机相单体,采用界面聚合法制备PPESK复合反渗透膜。考察了单体浓度、单体浸渍时间、热处理温度和热处理时间对复合反渗透膜性能的影响。结果表明,MPD浓度2 wt%、TMC浓度0.15 wt%、水相浸渍时间2 min、有机相浸渍时间1 min、热处理温度95℃、热处理时间3 min时,所制备的PPESK复合反渗透膜具有较好的分离性能。进一步考察了所制备的复合反渗透膜在不同盐种类、不同操作压力和不同操作温度下的分离性能。发现PPESK复合反渗透膜对Na2SO4的截留效果最好,脱盐率达到98%;随着操作压力从0.8 MPa上升到2.4 MPa,复合膜的脱盐率保持在98%以上,水通量从3.4 L/(m~2·h)上升到11.5 L/(m~2·h);随着操作温度从25℃上升至75℃,复合膜的脱盐率保持在98%左右,水通量从10.2 L/(m~2·h)上升至30.4 L/(m~2·h)。(3)考察了界面聚合过程中添加剂对PPESK复合反渗透膜性能的影响。随着水相中二甲基亚砜(DMSO)含量从0 wt%增加到2 wt%,复合膜的脱盐率从96%下降至92%,水通量从7.3 L/(m~2·h)上升至19.6 L/(m~2·h);随着水相中4-二甲氨基吡啶(DMAP)含量从0 wt%增加到0.2 wt%,复合膜的脱盐率从96%下降至90%,水通量从7.3 L/(m~2·h)上升至22.0 L/(m~2·h);随着水相中苄基三乙基氯化铵(TEBAC)含量从0 wt%增加到2 wt%,复合膜的脱盐率从96%上升至97%,水通量从7.3 L/(m~2·h)上升至10.0 L/(m~2·h)。通过MS软件模拟MPD的扩散过程,发现在不同界面聚合体系下,MPD的扩散系数略有不同,结果为DMPD-DMSO-TMC>DMPD-TMC>DMPD-TEBAC-TMC>DMPD-DMAP-TMC。综合实验与模拟结果,TEBAC作为水相添加剂对PPESK复合膜的性能提升最优。(4)考察了羟基化改性对复合反渗透膜性能的影响。使用硼氢化钠(Na BH4)对PPESK支撑膜进行羟基化改性得到了PPESK-OH支撑膜。考察了改性时间对支撑膜的影响,发现随着羟基化改性时间从0 min到20 min,支撑膜的水接触角从89.61°下降至65.84°。以改性之后的PPESK-OH支撑膜为基础,制备了PPESK-OH复合反渗透膜,发现随着改性时间从0 min到20 min,复合膜的脱盐率保持在97%左右,水通量从9.1L/(m~2·h)上升至16.4 L/(m~2·h)。同时考察了PPESK-OH复合反渗透膜在不同盐种类、不同操作压力和不同操作温度下的性能。发现PPESK-OH复合反渗透膜对Na2SO4的截留效果最好,脱盐率达到97%;随着操作压力从0.8 MPa上升到2.4 MPa,复合膜的脱盐率保持在97%以上,水通量从5.6 L/(m~2·h)上升到18.5 L/(m~2·h);随着操作温度从25℃上升至75℃,复合膜的脱盐率保持在97%左右,水通量从16.8 L/(m~2·h)上升至41.2L/(m~2·h)。
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