SiO2/壳聚糖杂化纳滤膜的制备与应用

论文摘要

本文通过研究有机膜材料的特点，寻找出一种性能优良的有机纳滤膜材料，并结合无机材料的特点，开发出一种兼具两者优点的新型有机—无机杂化纳滤膜，进而研究出具有良好分离性能的纳滤膜。该研究以壳聚糖为制膜材料，通过研究制膜过程中各种因素对壳聚糖纳滤膜性能的影响，找出壳聚糖膜的最佳制膜条件。影响因素主要包括溶剂、壳聚糖浓度、交联剂含量、温度、加热方式、时间、添加剂种类及含量、凝固方式等。为了进一步提高纳滤膜的分离性能，本文又以壳聚糖为有机膜材料，纳米SiO2为无机膜材料，采用相转化法制备了SiO2／壳聚糖杂化膜，系统地分析了溶剂、壳聚糖浓度、偶联剂含量、温度、热处理方式、时间、添加剂含量、SiO2含量等因素对SiO2／壳聚糖杂化纳滤膜的结构和性能的影响，并分析了纳滤膜的热稳定性、化学稳定性、强度等性能。最后利用扫描电镜分析了膜的断面结构，通过四动态膜性能测试仪研究了其水通量和一、二价离子的截留率。研究表明，均质壳聚糖膜较戊二醛／壳聚糖交联膜有更好的抗拉强度，但均质壳聚糖膜的水通量太小，基本上没有应用前景。戊二醛／壳聚糖交联膜虽然相对于均质壳聚糖膜强度有所下降，但水通量有了很大的改善。纳米SiO2的加入使SiO2／壳聚糖杂化膜的机械性能增强，其抗拉强度得到明显的增强，膜的溶胀率得到改善，并具有良好的水通量、热稳定性、化学稳定性、机械强度等特性。实验结果表明，醋酸的体积分数为4％，壳聚糖浓度为28g·L-1，戊二醛的含量为0.2％，SiO2含量为3.4％，聚乙烯醇含量为8％，40℃下干燥，可以制备性能优异的纳滤膜，其水通量为40L·m-2·h-1，对二价离子的截留率可以达到60％，而且具有良好的热稳定性、化学稳定性和一定的机械强度。采用SiO2和壳聚糖杂化制备纳滤膜，目前尚未见报道。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 综述
• 1.1 膜分离技术
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 膜分离技术的发展历史
• 1.1.3 功能膜的分类
• 1.1.4 制膜方法
• 1.2 纳滤膜
• 1.2.1 纳滤膜材质
• 1.2.2 纳滤膜传质机理和模型
• 1.2.3 纳滤膜的应用
• 1.3 壳聚糖的来源、性质、研究概况及应用现状
• 1.3.1 壳聚糖的来源
• 1.3.2 壳聚糖的性质
• 1.3.3 壳聚糖的制备
• 1.3.4 壳聚糖应用
• 1.4 研究课题的提出
• 1.4.1 基体材料的选择
• 1.4.2 交联材料的选择
• 第2章 壳聚糖纳滤膜的制备
• 2.1 壳聚糖纳滤膜的制备
• 2.1.1 实验仪器和试剂
• 2.1.2 膜的制备
• 2.2 膜的性能测试
• 2.2.1 水通量测试
• 2.2.2 截留率测试
• 2.2.3 抗拉强度测试
• 2.2.4 透气性测试
• 2.2.5 断面扫描电镜观察
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 铸膜液中壳聚糖浓度对膜性能的影响
• 2.3.2 膜厚度对膜性能的影响
• 2.3.3 壳聚糖膜的抗拉强度
• 2.3.4 壳聚糖膜的透气性
• 2.3.5 壳聚糖膜的耐酸碱性
• 2.3.6 壳聚糖膜的电镜分析
• 第3章 交联壳聚糖纳滤膜的制备
• 3.1 交联壳聚糖纳滤膜的制备
• 3.1.1 实验仪器及药品
• 3.1.2 交联壳聚糖纳滤膜的制备
• 3.2 交联纳滤膜的性能测试
• 3.2.1 水通量测试
• 3.2.2 截留率测试
• 3.2.3 抗拉强度测试
• 3.2.4 交联壳聚糖膜的X射线衍射分析
• 3.2.5 交联壳聚糖膜的溶胀实验
• 3.2.6 交联壳聚糖膜对铜离子的吸附实验
• 3.2.7 傅立叶红外光谱分析
• 3.2.8 断面扫描电镜观察
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 壳聚糖浓度对膜性能的影响
• 3.3.2 聚乙烯醇含量对膜性能的影响
• 3.3.3 戊二醛含量对交联壳聚糖膜的水通量影响
• 3.3.4 戊二醛对交联壳聚糖膜强度的影响
• 3.3.5 戊二醛对交联壳聚糖膜吸附铜离子性能的影响
• 3.3.6 交联壳聚糖膜的结晶性能（X射线衍射分析）
• 3.3.7 交联壳聚糖膜的溶胀性能
• 3.3.8 交联壳聚糖膜的电镜分析
• 2/壳聚糖杂化纳滤膜的制备'>第4章 SiO₂/壳聚糖杂化纳滤膜的制备
• 2/壳聚糖杂化纳滤膜的制备'>4.1 SiO₂/壳聚糖杂化纳滤膜的制备
• 4.1.1 实验仪器和药品
• 2/壳聚糖杂化纳滤膜的制备'>4.1.2 SiO₂/壳聚糖杂化纳滤膜的制备
• 2/壳聚糖杂化纳滤膜的性能测试'>4.2 SiO₂/壳聚糖杂化纳滤膜的性能测试
• 4.2.1 水通量测试
• 4.2.2 杂化纳滤膜对无机盐的截留率测试
• 4.2.3 压密系数测定
• 4.2.4 杂化膜的溶胀度测定
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 溶剂浓度对膜性能的影响
• 4.3.2 壳聚糖浓度对膜水通量/截留率的影响
• 2含量对膜水通量的影响'>4.3.3 SiO₂含量对膜水通量的影响
• 4.3.4 杂化膜的压密系数
• 2含量对杂化膜力学性能的影响'>4.3.5 SiO₂含量对杂化膜力学性能的影响
• 4.3.6 戊二醛含量对杂化膜力学性能的影响
• 4.3.7 碱浓度对杂化膜分离性能的影响
• 2含量对杂化膜的溶胀性能的影响'>4.3.8 SiO₂含量对杂化膜的溶胀性能的影响
• 4.3.9 杂化膜的形态结构（SEM照片）
• 4.3.10 杂化膜同商品纳滤膜性能的对比
• 第5章 金属离子在杂化膜上的渗透实验
• 5.1 钾离子在杂化膜上渗透行为
• 5.2 钙离子在杂化膜上渗透行为
• 第6章 结论
• 6.1 均质壳聚糖膜的制备
• 6.2 交联壳聚糖膜的制备
• 2/壳聚糖杂化纳滤膜的制备'>6.3 SiO₂/壳聚糖杂化纳滤膜的制备
• 参考文献
• 论文发表情况
• 致谢