磺化聚酰胺纳滤/反渗透膜的分子设计、制备及性能研究

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膜分离是一种无相变、易操作、环境友好的化工单元处理技术。纳滤、反渗透对小分子、无机盐类的截留效果较好,因此被广泛应用于水体软化,饮用水净化,海水淡化等工艺。然而,目前绝大部分商用膜市场均被陶氏、海德能、东丽等国外企业所垄断,急需开发具有自主知识产权的新型膜材料。由于单体的化学结构很大程度上影响所制备的复合膜的分离性能,本工作拟通过分子结构设计合成新型胺单体通过界面聚合制备几类聚酰胺纳滤/反渗透膜。同时结合理论研究进行界面过程预测分析,并对膜材料的宏观水处理性能进行综合评价,为开发新型纳滤/反渗透膜的研究提供理论依据与数据支撑。  首先,通过将2,2-双磺酸联苯胺(2,2-benzidinedisulfonic acid,BDSA)与均苯三甲酰氯(trimesoyl chloride,TMC)在聚砜基膜表面界面聚合制得了一种高通量的复合纳滤(NF)膜TFC-BDSA。通过一系列形貌表征显示TFC-BDSA具有平滑且疏水的表面。利用耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)研究中对BDSA单体盼分子朝向问题进行了研究。结果发现,界面聚合后BDSA中大多数磺酸基团面朝水相溶液,外表面被刚性聚合物主链的纳米级聚集体覆盖。该发现与所观察到的实验结果一致,并为膜表面性质提供了合理的解释。TFC-BDSA-1.0有极高的水通量,达到16.6 L m-2 h-1bar-1,且对二价盐离子和有机小分子有较好的截留性能。  为进一步研究单体分子结构对磺酸基团朝向问题的影响,本课题合成了一种与BDSA结构相似的单体4,4-二氨基-2,2-二磺酸二苯基醚(4,4-diaminodiphenyl ether-2,2-disulfonic acid,ODADS),界面聚合制得磺化聚酰胺NF膜TFC-ODADS。尽管这两种单体的化学结构仅有细微的差别,两种膜的脱盐性能却有较大差别。相比TFC-BDSA,TFC-ODADS具有相对较低的水通量,以及对不同离子更高的截留效果。通过对ODADS/TMC系统进行DPD模拟,发现在TFC-ODADS表面的磺酸基团大多朝向有机相。因此,膜表面亲水性大大提高,被有机污染物污染后的水通量恢复率高达96.8%,体现出极佳的耐污染性。  此外,本研究研发并表征了一种高性能的反渗透膜。通过制备一种新型磺化二胺单体4,4-(1,2-乙二基亚氨基)双(苯磺酸)(4,4-(1,2-ethanediyldiimino)bis(benzenesulfonicacid),EDBSA),将之与TMC在PES基膜上界面聚合反应,得到聚酰胺反渗透膜。该膜具有高脱盐率,较好的水通量和优异的脱硼能力。与实验室自制的标准反渗透膜TFC-MPD和市售SW30(Dow)相比,EDBSA/TMC膜表现出优秀的分离性能,其用于模拟海水过滤的渗透液水质可直接满足多种饮用水标准(例如WHO、USEPA以及中国标准),表明该膜在海水淡化方面具有很好的应用前景。
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