基于溶脹嵌入-收縮法的聚酰胺反滲透膜的制備及性能研究

基于溶脹嵌入-收縮法的聚酰胺反滲透膜的制備及性能研究

反滲透脫硼率低隨著氣候溫暖濕潤，人口快速增長，淡水資源缺乏，這已成為一個全球問題。這個問題又增加了。造成反滲透膜脫硼率低的原因有：(1)在酸性和中性水溶液中，硼酸分子不帶電荷，導致反滲透膜的電荷排斥機制失效甲醇是一種優(yōu)良的聚酰胺活化(又稱溶脹)溶劑1實驗材料和方法1.1材料和性能苦咸水反滲透(BWRO)膜，杭州水處理技術研究開發(fā)中心有限公司提供。NaCl(氯化鈉，分析純)，硼酸(H1.2改變和測試膜性能的設備改性和測試膜性能的裝置參照文獻1.3改性反滲透膜的制備改性溶液的制備，首先將甲醇和水按一定比例混合，制備甲醇濃度為50%、65%、75%、85%、95%(體積)的甲醇水溶液。然后，將1g癸酸分別溶解在100ml的甲醇水溶液65%、75%、85%、95%(體積)中，配制成1%的改性溶液（簡稱65%改、75%改、85%改、95%改）；將0.3g癸酸溶解在100ml的甲醇水溶液50%(體積)，配制成0.3%的改性溶液(簡稱50%改)。改性反滲透膜的制備過程：將未改性膜片固定在HP4750攪拌池的底部，加入100ml改性溶液并浸泡10min，然后在完全濃差極化的條件下給其施加2MPa的壓力1h，最后卸去壓力用去離子水反復沖洗膜表面。反滲透膜分離性能的測試過程：模擬含硼廢水，測試液中含有2000mg/L的氯化鈉和5mg/L的硼(pH=7.5±0.5,25℃)，在15.5bar壓力下使用HP4750攪拌池測試膜的性能，預壓30min后取樣。為保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性，每組實驗都至少測試3次并取平均值。實驗流程如下：首先測試未改性膜的初始性能，然后在不拆卸膜片的情況下，直接對膜片進行改性，最后同樣不拆卸膜片，采用同樣的測試條件測試改性膜的性能。膜表面存在的疏松的選擇性區(qū)域(“缺陷”或者較大的聚集孔)通量的計算公式為水滲透通量式中，A是純水的滲透系數(shù)，L/(m2結果與討論2.1聚酰胺膜的表征為了確定改性膜中存在嵌入的脂肪酸，對未改性膜和改性膜進行了ATR-FTIR分析。根據(jù)未改性膜和改性膜的紅外光譜差別[圖3(a)]，改性膜在2925cm進一步利用XPS分析改性PA膜表面10nm內的原子組成信息，在285.0、399.5和532.5eV分別發(fā)現(xiàn)C、O、N三個元素的信號峰為了分析改性前后影響聚酰胺膜性能的原因，需要對聚酰胺膜的結構與形貌進行相關表征。雖然聚酰胺膜的表面粗糙度發(fā)生了改變，但是通過SEM和AFM圖(圖4和圖5)發(fā)現(xiàn)膜表面的波峰波谷未發(fā)生明顯變化，因此溶脹嵌入過程不會明顯改變膜的表面形貌，只會對聚酰胺膜內部結構發(fā)生改變，同時證明“溶脹-嵌入-收縮”方法改性不會對聚酰胺主體結構造成影響。聚酰胺膜的電荷排斥作用是影響氯化鈉截留的重要原因，表征聚酰胺膜的zeta電位可以分析電荷排斥作用的強弱變化。根據(jù)圖6(a)的表征結果可知，改性膜和未改性膜的zeta電位幾乎不變，因此改性前后聚酰胺膜的電荷排斥作用變化不大。另外，聚酰胺膜的親疏水性是影響脫硼率的重要原因，表征聚酰胺膜的樣品的接觸角可以分析表面的親疏水性變化。根據(jù)圖6(b)的表征結果可知，改性膜相對于未改性膜的接觸角明顯變大，證明改性膜的疏水性增強，這有利于提高改性膜的脫硼率。2.2聚酰胺膜水/溶液嵌入選擇性分析聚酰胺膜的通量(flux)和截留率(rejection)是其宏觀性能的體現(xiàn)，而溶質的擴散系數(shù)(B)可以分析溶質透過聚酰胺膜的快慢，水和溶質擴散系數(shù)的比值(A/B)可以分析聚酰胺膜水/溶質的滲透選擇性，即聚酰胺膜對水和溶質的分離程度(圖7)。不同濃度的甲醇對聚酰胺膜的影響程度不同，隨著改性液中甲醇濃度的不斷上升，甲醇對聚酰胺網(wǎng)絡的溶脹效果不斷增強，聚酰胺鏈之間的距離增大，自由體積更大2.3嵌入電商膜孔，提高聚酰胺膜的脫硼率根據(jù)圖8可以發(fā)現(xiàn)，僅用甲醇水溶液處理聚酰胺膜，會導致脫硼率降低，硼酸的擴散系數(shù)上升；當改性溶液中加入癸酸后，由于癸酸分子嵌入膜孔，使得脫硼率升高，硼酸的擴散系數(shù)下降，水/硼滲透選擇性明顯上升，因此嵌入癸酸分子有利于提高聚酰胺膜的水/硼選擇性。并且隨著改性液中甲醇濃度的不斷增加，癸酸分子嵌入膜孔的量先增加后減少，因此改性膜的脫硼率先增加后減少，脫硼率從未改性膜的47.85%增加到77.32%(溶劑為65%的甲醇)，增加了約30個百分點[圖8(a)]。水/硼滲透選擇性的值從未改性膜的1.172×103結論(1)根據(jù)ATR-FTIR光譜分析，在2925cm滲透液中的硼A——純水滲透系數(shù)，L/(m溶質截留率的計算公式為溶質的擴散系數(shù)(2)實驗結果顯示，改性膜的截鹽率和脫硼率都明顯上升，截鹽率從90.36%增加到96.46%，而脫硼率從47.85%增加到77.32%，滲透液中的硼濃度明顯低于2.4mg/L，達到WTO規(guī)定的使用標準。雖然水和硼的滲透性都下降，但是水和硼的滲透選擇性增加，證明該方法有利于提高水硼選擇性。由于癸酸分子的嵌入，溶脹嵌入疏水性分子，有利于縮小聚酰胺膜的孔徑，修補膜表面的缺陷，增加空間位阻；又同時降低聚酰胺膜的極性，降低膜孔內的氫鍵結合位點的數(shù)量，阻礙硼酸分子在膜內的傳遞，從而實現(xiàn)