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杂萘联苯聚芳醚砜分离膜的制备及应用研究

2020-12-11阅读(378)

杂萘联苯聚芳醚砜分离膜的制备及应用研究

论文摘要

含二氮杂萘酮联苯结构的聚芳醚系列材料是具有优异耐热性的可溶性热塑性树脂,它们具有高的玻璃化转变温度、成膜性、机械强度和化学稳定性。杂萘联苯共聚醚砜（PPBES）除了具有以上材料的共同优点外,还具有良好的韧性,是潜在的超滤膜材料。而本组开发的季铵化杂萘联苯聚醚砜酮（QAPPESK）纳滤膜对高价金属阳离子具有较高的截留率,且该膜具有较高的通量和热稳定性,在某些废水处理领域中具有非常大的应用潜力。本文以PPBES为膜材料,水为凝胶剂采用相转化法制备超滤膜。首先采用溶解度参数理论选择了PPBES可能的制膜溶剂。然后考察了几种常见的溶剂如N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、吡啶（Pyridine）、二甲基亚砜（DMSO）、四氢呋喃（THF）对膜性能的影响。实验发现仅有DMAc、NMP和Pyridine可以用作制膜溶剂。以DMAc为制膜溶剂所成的膜具有较好的综合性能,因此DMAc被选作超滤膜的制膜溶剂。采用浊点滴定法研究了五种有机小分子添加剂与PPBES/DMAc体系的相容性和沉淀能力,并研究了这五种添加剂对超滤膜性能和形貌的影响。结果发现,添加剂的极性和挥发性对膜的性能和形貌影响较大。添加剂的极性越强,与聚合物的亲和性越差,膜断面越倾向于形成海绵状结构,且使得膜通量较高。而挥发性强的添加剂在停留蒸发阶段更容易从膜中逸出,使得膜孔致密且断面膜孔较小,形成的膜通量较低。为了得到较优性能的PPBES超滤膜,本文详细考察了聚合物浓度、凝胶浴温度、停留蒸发时间等对超滤膜性能的影响。在优化条件下制备了PPBES超滤膜,在0.1 MPa,20℃条件下,所制的超滤膜纯水通量约430 L/m2h,对PEG10000的截留率在93%以上以EGME作为有机添加剂,LiC1作为无机添加剂制备四元体系铸膜液,制备小孔径超滤膜。最终选定聚合物含量20%、EGME含量8%、LiCl含量2%,成功制备纯水通量为122 L/m2h、对PEG1000截留率达到100%的低截留分子量超滤膜。由于PPBES具有良好的机械性能特别是韧性,PPBES超滤膜适合用作复合膜的支撑底膜。本文以PPBES超滤膜为底膜,通过界面聚合的方法在其上表面反应生成超薄的聚哌嗪酰胺功能层来制备纳滤膜。系统地考察了界面聚合的条件,确定了最优的水相单体哌嗪和油相单体均苯三甲酰氯（TMC）浓度、水相浸渍时间、反应时间、烘焙温度和烘焙时间。制备出的纳滤膜具有较高的通量75 L/m2h和对Na2SO4较高的截留率97.5%。其对1g/L的Na2SO4测试结果表明,当操作温度从18℃升至85℃,纳滤膜的通量从61 L/m2h升高至290 L/m2h,而截留率仅下降了3.8%。低截留分子量的PPBES超滤膜的对某些染料分子截留率较高,而对无机盐没有截留,可以大大降低处理废水的渗透压。因此可以用于盐和染料分离,适合用于染料工业废水的处理和印染过程中染料的浓缩。本文采用了对PEG1000的截留率为100%的低截留分子量超滤膜对具有代表性的染料模拟废水进行了处理。实验表明,在室温0.2 MPa下,该膜对直接染料刚果红（Congo Red）、硫化染料硫化黑（Sulfur Black B）和阴离子染料龙胆紫（Gentian Violet）的截留率为100%。该膜对活性染料活性黄（C. I. Reactive Yellow 86）、分散染料分散红（C.I. Disperse Red 73）和阳离子染料酸性铬兰（Acid Chrome Blue K）的截留率分别为79%、54%和43%。除分散染料外,其他处理过程中膜的通量都达到87 L/m2h以上,具有较好处理能力。为了进一步提高膜对活性染料、分散染料和阳离子染料的截留率,采用聚哌嗪酰胺/PPBES复合纳滤膜来处理,取得了较好的效果。对超滤膜和纳滤膜的在高温环境中的使用稳定性也进行了相应的考察。结果表明,自制的超滤膜和纳滤膜都具有良好的耐热性。选择几种实验室自制的纳滤膜对大连某染料厂的硫化黑废水进行了处理。实验发现,荷负电的界面聚合聚哌嗪酰胺复合纳滤膜和涂覆的磺化复合纳滤膜的通量较低。而荷正电的季铵化纳滤膜（QAPPESK）在使用过程中表现出了较高的通量和较高的染料截留率,可以将染料与废水中无机盐进行分离,大大简化了工艺流程且能降低成本。在废水出水温度60℃的条件下对该废水进行处理时,在0.6 MPa下,膜的通量为14.5L/m2h,对硫化黑染料的截留率为92.3%,而对无机盐的截留率为10%。膜在60℃下使用72 h性能没有下降,因此该膜适合用于将染料和无机盐分离,从而达到工厂回收无机盐和降低污染的要求。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 引言
  • 1 分离膜的制备及应用研究进展
  • 1.1 膜分离技术概述
  • 1.1.1 膜的定义及分类
  • 1.1.2 主要膜分离过程
  • 1.1.3 膜分离技术的特点
  • 1.1.4 膜分离技术的发展
  • 1.2 超滤膜
  • 1.2.1 超滤膜过程
  • 1.2.2 超滤膜材料
  • 1.2.3 超滤膜制备
  • 1.2.4 相转化法制膜配方及制备工艺对膜性能的影响
  • 1.2.5 超滤膜技术应用及研究方向
  • 1.2.6 超滤膜技术研究进展
  • 1.3 纳滤膜技术
  • 1.3.1 纳滤膜过程
  • 1.3.2 纳滤膜特点
  • 1.3.3 纳滤膜制备方法
  • 1.3.4 纳滤膜材料
  • 1.3.5 纳滤膜传质机理
  • 1.3.6 纳滤膜应用
  • 1.4 膜法染料废水处理
  • 1.4.1 常见的染料废水处理方法
  • 1.4.2 膜法处理染料废水的发展
  • 1.4.3 膜法处理染料废水面临的问题
  • 1.5 论文选题的目的意义及主要内容
  • 2 有机小分子添加剂对PPBES超滤膜结构与性能的影响
  • 2.1 实验部分
  • 2.1.1 原料及试剂
  • 2.1.2 实验仪器和设备
  • 2.1.3 溶解度参数的计算
  • 2.1.4 三元相图的测定
  • 2.1.5 PPBES超滤膜的制备
  • 2.1.6 PPBES超滤膜性能测试
  • 2.1.7 超滤膜断面形貌观察
  • 2.2 结果与讨论
  • 2.2.2 PPBES制膜溶剂的理论筛选
  • 2.2.3 PPBES制膜溶剂的实验选择
  • 2.2.4 有机小分子非溶剂添加剂对铸膜液体系热力学性质的影响
  • 2.2.5 乙二醇含量变化对膜结构和性能的影响
  • 2.2.6 丙醇含量变化对膜结构和性能的影响
  • 2.2.7 乙二醇甲醚含量变化对膜结构和性能的影响
  • 2.2.8 丁酮含量变化对膜结构和性能的影响
  • 2.2.9 乙醚含量变化对膜结构和性能的影响
  • 2.3 本章结论
  • 3 高通量低截留分子量PPBES超滤膜的制备与表征
  • 3.1 实验部分
  • 3.1.1 实验试剂药品
  • 3.1.2 实验仪器和设备
  • 3.1.3 PPBES超滤膜的制备
  • 3.1.4 PPBES超滤膜性能测试
  • 3.1.5 超滤膜断面形貌观察
  • 3.2 结果与讨论
  • 3.2.1 停留蒸发时间对膜结构和性能的影响
  • 3.2.2 凝胶浴温度对膜结构和性能的影响
  • 3.2.3 聚合物浓度对膜结构和性能的影响
  • 3.2.4 LiCl含量对膜结构和性能的影响
  • 3.2.5 EGME含量对膜结构和性能的影响
  • 3.2.6 PPBES超滤膜的化学稳定性考察
  • 3.2.7 PPBES超滤膜的热稳定性考察
  • 3.2.8 PPBES超滤膜与商业超滤膜性能对比
  • 3.3 本章结论
  • 4 聚哌嗪酰胺/PPBES复合纳滤膜性能的制备与表征
  • 4.1 实验部分
  • 4.1.1 原料及试剂
  • 4.1.2 实验仪器及设备
  • 4.1.3 PPBES纳滤膜的制备
  • 4.1.4 聚哌嗪酰胺/PPBES复合纳滤膜的性能测试
  • 4.1.5 聚哌嗪酰胺/PPBES复合纳滤膜断面和表面形貌
  • 4.2 结果与讨论
  • 4.2.1 反应时间对聚哌嗪酰胺/PPBES复合纳滤膜性能的影响
  • 4.2.2 水相浸没时间对聚哌嗪酰胺/PPBES复合纳滤膜性能的影响
  • 4.2.3 单体浓度对聚哌嗪酰胺/PPBES复合纳滤膜性能的影响
  • 4.2.4 热处理对聚哌嗪酰胺/PPBES复合纳滤膜性能的影响
  • 4.2.5 酸吸收剂NaOH对复合纳滤膜性能的影响
  • 4.2.6 底膜MWCO对聚哌嗪酰胺/PPBES复合纳滤膜性能的影响
  • 4.2.7 底膜PVP含量对聚哌嗪酰胺/PPBES复合纳滤膜性能的影响
  • 4.2.8 复合膜耐热性能的考察
  • 4.2.9 复合膜的基本性能
  • 4.2.10 复合膜与基膜的表面形貌
  • 4.3 本章结论
  • 5 PPBES分离膜对代表性染料模拟废水的处理
  • 5.1 实验部分
  • 5.1.1 原料及试剂
  • 5.1.2 实验仪器和设备
  • 5.1.3 模拟废水处理流程
  • 5.2 结果与讨论
  • 5.2.1 低截留分子量PPBES超滤膜的基本性能
  • 5.2.2 低截留分子量PPBES超滤膜对模拟染料废水的处理
  • 5.2.3 无机盐浓度对PPBES超滤膜处理染料废水性能的影响
  • 5.2.4 低截留分子量PPBES超滤膜对染料的浓缩实验
  • 5.2.5 PPBES超滤膜的热稳定性
  • 5.2.6 聚哌嗪酰胺/PPBES纳滤膜在染料废水处理中的性能
  • 5.2.7 染料废水中无机盐浓度对纳滤膜性能的影响
  • 5.2.8 不同清洗剂对纳滤膜性能的恢复情况
  • 5.2.9 聚哌嗪酰胺/PPBES纳滤膜在染料废水处理中的热稳定性
  • 5.3 本章结论
  • 6 QAPPESK荷正电纳滤膜处理硫化黑染料废水研究
  • 6.1 实验部分
  • 6.1.1 原料及试剂
  • 6.1.2 实验仪器和设备
  • 6.1.3 废水处理流程
  • 6.2 结果与讨论
  • 6.2.1 不同类型纳滤膜对硫化黑染料废水的处理效果对比
  • 6.2.2 荷正电QAPPESK纳滤膜对硫化黑染料废水的处理效果
  • 6.2.3 荷正电QAPPESK纳滤膜使用过程中的膜污染与清洗
  • 6.2.4 荷正电QAPPESK纳滤膜使用过程中的热稳定性
  • 6.2.5 荷正电QAPPESK纳滤膜在染料脱盐中的应用研究
  • 6.3 本章结论
  • 结论
  • 参考文献
  • 附录A 缩略语含义
  • 创新点摘要
  • 致谢
  • 作者简介
  • 攻读博士学位期间发表学术论文情况

    • 相关论文文献

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