通量是膜分离技术发展过程中重要的性能指标之一。在相同的操作压力下,高通量意味着高的分离效率和低的能耗,能有效降低设备投资和运行成本。纳滤膜是一种分离孔径介于反渗透膜与超滤膜之间的压力驱动膜,能截留分子量>200 Da的有机小分子和二价/多价盐离子,对单价盐离子截留相对较低。纳滤膜的分离机理主要由尺寸筛分和道南电荷排斥效应协同组成。与反渗透膜相比,纳滤膜操作压力更低,能耗低,分离通量更大,对不同价态的离子有不同的选择透过性,因此纳滤膜在海水淡化、废水处理以及食品工业等领域都有很大的应用优势。目前的纳滤膜的结构形式主要是薄膜复合纳滤膜,由通过水相中的二胺与油相中的酰氯的水/油界面聚合得到的表面超薄分离层和底部的多孔支撑层组成。薄膜复合纳滤膜的通量和截留率主要由超薄分离层决定,而超薄分离层的质量和厚度又取决于界面聚合过程。常用的多孔支撑层主要采用商品化的超滤膜如聚醚砜超滤膜、聚偏氟乙烯超滤膜等,这些多孔支撑层的亲水性较差,孔径分布不均一,难以获得均匀的水/油界面和良好的界面反应,最终导致超薄分离层结构可控性差、分离性能不理想。近年来,开发新型的多孔支撑底膜或者是通过引入中间层来改善和提升现有支撑底膜缺点的研究受到越来越多地关注,逐渐成为本领域的研究热点。理想的底膜或中间层应具有优异的亲水性能、平整均匀的表面结构,同时能提供尽可能高的孔隙率和适宜的有效孔径。在本论文中,我们提出采用天然高分子——细菌纤维素纳米纤维作为一种新的中间层来制备薄膜复合纳滤膜。细菌纤维素纳米纤维具有良好的亲水性能、较低的环境生物毒性,特别是由细菌纤维素纳米纤维的二维平面堆积可形成孔径在纳米尺度的网状多孔膜,可为二胺和酰氯的反应提供更优异的反应界面,进而提升超薄分离层的结构和质量,获得具有更高分离性能的超薄复合纳滤膜。本论文主要研究内容如下:1.细菌纤维素纳米纤维的制备。以块体细菌纤维素纤维为原料,首先将其经化学氧化后去除杂质、无定型区以及结晶度较低的纤维素纤维,再经过超声将氧化后的细菌纤维素分散在去离子水中,制备成均匀透明的纤维素纳米纤维分散液。将纳米纤维分散液沉积在亲水性聚四氟乙烯微滤膜上,形成纳米纤维素复合底膜。该复合底膜具有亲水性好、表面平整、孔隙率高及孔径分布均匀的优点。2.以纤维素纳米纤维为中间层制备薄膜复合纳滤膜。将纳米纤维素复合底膜在哌嗪的水相溶液中浸润,然后去除复合底膜表面的多余溶液,再将该复合底膜浸泡在酰氯的油相溶液中,在两相界面处发生界面聚合得到具有聚酰胺分离层的薄膜复合纳滤膜。由于纤维素纳米纤维中间层具有良好的亲水性能,对纳米纤维素中间层的水合能力进行进一步强化,形成连续均匀的水层,为二胺和酰氯的反应提供了完整均一的反应界面,大大提高了聚酰胺分离层的质量。同时,聚合反应过程中产生的反应热聚集引起马兰戈尼对流,使聚酰胺分离层产生褶皱结构,增大了分离层的有效面积。从而在保证对二价盐离子截留率不变化同时大幅提高了纳滤膜的通量。我们得到的薄膜复合纳滤膜对Na₂SO₄的截留率约为99%,通量高于40 Lh^-1m^-2bar^-1。3.Ca²⁺离子掺杂的超薄复合纳滤膜的制备。随后,我们将Ca Cl₂引入聚合体系,通过Ca Cl₂的化学掺杂作用进一步提高以纤维素纳米纤维为中间层的超薄复合纳滤膜的分离性能。Ca²⁺能与TMC分子中的C=O结合,增大TMC的水解速率,从而降低聚酰胺层的聚合度,使获得的分离层更疏松,分离层孔径更大。在以纤维素纳米纤维为中间层的前提下,以Ca Cl₂为添加剂的纳滤膜通量相对于不添加Ca Cl₂的纳滤膜相比有巨大的提升。Ca²⁺离子掺杂的超薄复合纳滤膜的通量为74.4 Lh^-1m^-2bar^-1,对Na₂SO₄的截留率为93.1%。