高分子—磁性粒子杂化膜制备与渗透蒸发性能研究

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高分子-无机杂化膜可兼具高分子膜和无机膜的优势,并可克服各自的缺点,成为膜材料开发的热点。优化高分子-无机界面,在膜中构建连续通道,是调控杂化膜结构与提高性能的关键。本研究以渗透蒸发分离乙醇/水体系为研究对象,分别通过共混法、原位法将磁性粒子引入高分子基质中,对膜的物理化学特性及微观结构形态进行调控,制备了高性能的渗透蒸发杂化膜。通过共混法将聚丙烯酸(PAA)修饰的PAA-Fe3O4纳米粒子(尺寸为50nm)掺入海藻酸钠(SA)基质中,制备超薄杂化膜。PAA对Fe3O4的原位修饰提高了Fe3O4在膜中的分散性。PAA-Fe3O4与SA间存在较强的氢键作用,一方面降低了SA的结晶度,增加了膜的自由体积分数,另一方面,限制了自由体积孔穴尺寸,创造出具有良好选择性的高分子-无机界面。考察了PAA修饰及PAA-Fe3O4纳米粒子填充量对膜分离性能的影响。当PAA-Fe3O4填充量为8wt.%时,杂化膜的渗透通量为1634g/m2h,分离因子为1044,此性能优于填充相同量未改性Fe3O4的杂化膜。自然界中趋磁细菌细胞内的磁小体在地磁场作用下会成串生长。受此启发,在磁场诱导下,将Fe3O4纳米粒子通过原位法引入壳聚糖(CS)基质中,制备杂化膜。一方面,原位生成的Fe3O4与CS间相互作用较强,从而降低了CS的结晶度,增加了膜的自由体积分数;另一方面,在磁场(磁场线方向垂直于膜表面)的诱导下,Fe3O4会沿磁场线方向成串排列,从而在高分子-无机界面构建出跨膜方向的连续水分子传递通道。考察了原料FeCl24H2O的添加量及有无磁场诱导对膜分离性能的影响。当FeCl24H2O添加量为8wt.%时,磁场诱导下的杂化膜渗透通量为1042g/m2h,分离因子为674。与未加磁场的膜相比,磁场诱导下制备的杂化膜通量有所提高,分离因子略有下降。通过共混法将表面负载Fe3O4的碳纳米管(Fe3O4@CNT)引入SA基质中,制备杂化膜。Fe3O4改善了CNT的分散性,同时CNT提高了Fe3O4排列的有序度。Fe3O4@CNT的引入,降低了SA的结晶度,增加了膜的自由体积,构建了连续的水传递通道,提高了SA的链刚性。考察了Fe3O4@CNT填充量及相应Fe3O4、CNT填充量对膜分离性能的影响。当Fe3O4@CNT填充量为2wt.%时,杂化膜渗透通量为2211g/m2h,分离因子为1870。由于Fe3O4与CNT间的协同作用,填充Fe3O4@CNT的杂化膜的性能高于填充Fe3O4或CNT的杂化膜。
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