
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1、聚丙烯(PP)中空纖維膜具有比表面積大、組件無(wú)需支撐體、設(shè)備小型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于膜蒸餾、氣體分離、廢水處理等領(lǐng)域。但由于聚丙烯為疏水性材料,在處理水基流體時(shí)能耗高且污染嚴(yán)重;另一方面,PP中空纖維膜的孔徑通常較大,其選擇分離性能相對(duì)較差。因而對(duì)PP中空纖維膜進(jìn)行功能化改性,制備分離性能優(yōu)越的親水性PP中空纖維復(fù)合膜具有重要意義。
本論文以羧甲基纖維素鈉(CMCNa)為功能材料,結(jié)合靜態(tài)溶液浸泡法及物理表面交
2、聯(lián)法,對(duì)PP中空纖維超濾膜進(jìn)行功能化改性,獲得具有特定分離性能的CMCNa/PP中空纖維復(fù)合膜。論文通過(guò)PP中空纖維膜的表面性質(zhì)表征及分離性能測(cè)試,對(duì)功能化改性工藝進(jìn)行優(yōu)化,并研究運(yùn)行條件對(duì)CMCNa/PP中空纖維復(fù)合膜分離性能的影響,最后采用浸沒(méi)式過(guò)濾操作方式將其應(yīng)用于染料分離試驗(yàn),研究復(fù)合膜對(duì)染料的分離效果.
FT-IR及SEM表征結(jié)果表明通過(guò)羧甲基纖維素鈉與氯化鐵的交聯(lián)反應(yīng),成功在PP中空纖維超濾膜表面形成親水但非水
3、溶的致密涂層,其厚度約為0.2μm.改性后,PP中空纖維膜表面的親水性得到改善,其水接觸角從104.7°下降到81.1°左右;由于改性后膜表面殘留羧基,因而在大部分的pH值范圍內(nèi)(pH>3.8),復(fù)合膜表面帶有負(fù)電荷,為高價(jià)陰離子的截留創(chuàng)造條件。
實(shí)驗(yàn)考察了功能化改性工藝對(duì)CMCNa/PP中空纖維復(fù)合膜分離性能的影響,發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變涂覆條件及交聯(lián)條件可以有效控制復(fù)合膜表層的平均孔徑,從而調(diào)節(jié)復(fù)合膜的無(wú)機(jī)鹽截留率。適當(dāng)增加CM
4、CNa濃度、交聯(lián)劑濃度以及涂覆次數(shù)或延長(zhǎng)涂覆時(shí)間、交聯(lián)時(shí)間均可以提高復(fù)合膜表層的致密度,從而在犧牲一定滲透通量的前提下,提高復(fù)合膜對(duì)無(wú)機(jī)鹽的截留率。其中,以涂覆液中CMCNa濃度的影響最大,涂覆次數(shù)次之,而交聯(lián)液中FeCl3濃度、涂覆時(shí)間及交聯(lián)時(shí)間的影響最小,基本可以忽略。此外,在涂覆液中添加一定的聚丙烯酸鈉(PAAS)可以提高復(fù)合膜對(duì)無(wú)機(jī)鹽的截留率,但效果相對(duì)較小。綜合考慮復(fù)合膜的無(wú)機(jī)鹽截留率及滲透通量,認(rèn)為較優(yōu)的功能化改性條件為:在
5、CMCNa濃度為2.0%w/v的涂覆液中浸泡30 min,取出晾干后,再在8.0%w/v的FeCl3溶液中交聯(lián)反應(yīng)20 min。該條件下獲得的CMCNa/PP中空纖維復(fù)合膜的截留分子量約為720 Da,在0.3 Mpa、25℃及pH6.8下,對(duì)500 mg/l Na2SO4溶液的截留率為87.7%,對(duì)500 mg/l NaCl溶液的截留率為29.6%,純水滲透通量為9.91/m2 h bar。
除功能化改性工藝對(duì)CMCNa
6、/PP中空纖維復(fù)合膜的分離性能產(chǎn)生影響外,運(yùn)行條件同樣影響復(fù)合膜的分離性能。當(dāng)操作壓力在0.1~0.5 Mpa的范圍內(nèi)變化時(shí),滲透通量隨壓力的增加呈線(xiàn)性增加,無(wú)機(jī)鹽截留率也隨操作壓力的增加而升高,但截留率的上升速度相對(duì)較慢且逐漸趨于穩(wěn)定:復(fù)合膜對(duì)無(wú)機(jī)鹽的截留率和滲透通量則隨著鹽濃度的增加逐漸下降,截留率的下降幅度相對(duì)較大;復(fù)合膜對(duì)不同無(wú)機(jī)鹽的截留順序?yàn)镃aCl2(0.9%)<MgCl2(1.7%)<MgSO4(17.2%)<NaCl(2
7、9.6%)<KCl(40.7%)<Na2SO4(87.7%),說(shuō)明復(fù)合膜能有效截留高價(jià)陰離子,但對(duì)高價(jià)陽(yáng)離子的截留性能則相對(duì)較差;在料液pH高于6.6時(shí),膜表面帶有較強(qiáng)的負(fù)電性,對(duì)無(wú)機(jī)鹽的截留率維持在較高的水平,但當(dāng)料液pH低于6.0時(shí),膜表面負(fù)電荷密度降低、CMCNa與FeCl3的絡(luò)合作用減弱,致使復(fù)合膜涂層孔徑變大,因而導(dǎo)致無(wú)機(jī)鹽截留率下降、滲透通量升高:中性條件下,CMCNa/PP中空纖維復(fù)合膜具有穩(wěn)定的分離性能,0.3 Mpa、
8、25℃及pH6.8下,在500 mg/l Na2SO4水溶液中運(yùn)行28 h后,Na2SO4的截留率僅下降2.4%。即使在濃度為1.0 g/l、pH為8.0的次氯酸鈉溶液中浸泡10 h后,CMCNa/PP中空纖維復(fù)合膜仍能保持初始的截留率。
最后將較優(yōu)工藝下改性得到的CMCNa/PP中空纖維復(fù)合膜以浸沒(méi)式過(guò)濾的操作方式應(yīng)用于染料分離試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)采用浸沒(méi)式過(guò)濾能有效實(shí)現(xiàn)染料溶液中的染料分子與無(wú)機(jī)鹽的分離。復(fù)合膜對(duì)染料的截留主
9、要受尺寸效應(yīng)及道南排斥效應(yīng)的共同作用;復(fù)合膜對(duì)甲基藍(lán)、剛果紅染料的截留率分別高達(dá)99.7%、99.9%.而對(duì)染料中的NaCl截留率則低于10%。CMCNa/PP中空纖維復(fù)合膜對(duì)染料的分離性能受染料濃度、染料濃縮倍數(shù)及無(wú)機(jī)鹽濃度的影響。實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),染料濃度及濃縮倍數(shù)的增加會(huì)小幅度降低復(fù)合膜的滲透通量,而染料中無(wú)機(jī)鹽濃度的增加,則會(huì)提高復(fù)合膜的滲透通量。染料濃度、染料濃縮倍數(shù)及無(wú)機(jī)鹽濃度對(duì)CMCNa/PP中空纖維復(fù)合膜的截留率的影響相對(duì)較小
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