聚醚砜-鉛離子印跡碳納米管雜化膜的研究.pdf

1、聚醚砜(PES)是一種性能優(yōu)良的膜材料，聚醚砜制備的膜材料耐壓、耐熱、耐氧化性均較高，尺寸穩(wěn)定性好，化學穩(wěn)定性和生物相容性也較其他的膜材料好，是制備復合超濾、納濾膜的理想基膜。碳納米管具有吸附速度快，吸附容量大，耐酸、堿、高溫等特殊性能，并且碳納米管上帶有活性基團可進一步改性，并且不損壞碳納米管的特殊性能，因此常被用作無機添加材料，以改善聚合物的性能。本文首先研究了將羧基化碳納米管(MWNTs-COOH)進行氨基化改性的方法，并討論了反

2、應時間和反應溫度對氨基化改性碳納米管的影響，確定了最佳的改性實驗條件，采用傅里葉紅外光譜(FT-IR)、拉曼光譜(Raman)、X射線衍射(XRD)測試、TG、元素分析及SEM等測試方法對產(chǎn)物的化學結(jié)構(gòu)、晶型結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性及形貌進行了表征。然后研究了氨基化碳納米管(MWNTs-NH2)的鉛離子印跡反應，并對產(chǎn)物的化學結(jié)構(gòu)、晶型結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性及選擇性吸附性能進行了表征。最后通過相轉(zhuǎn)化法制備了 PES/鉛離子印跡碳納米管雜化膜，研究了鉛離子

3、印跡碳納米管(Pb-IIP-MWNTs)的加入對 PES雜化膜的結(jié)構(gòu)和性能的影響。本文主要內(nèi)容如下：
　　(1).以MWNTs-COOH為原料成功的制備了MWNTs-NH2?？疾炝朔磻獣r間和反應溫度對MWNTs-NH2的結(jié)構(gòu)和性能的影響，確定最佳實驗條件。并對MWNTs-NH2的化學結(jié)構(gòu)、晶型結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性及形貌進行了研究。結(jié)果表明：當反應時間為24 h，反應溫度為120℃為氨基化的最佳實驗條件；反應過程中晶型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性提

4、高；通過縮合反應能將乙二胺通過酰胺鍵有效地連接在 MWNTs-COOH上，反應過程中碳納米管所具有的獨特結(jié)構(gòu)未被破壞，該方法簡單有效、條件溫和，并且引入了具有反應活性的氨基，還可以進一步進行碳納米管的功能化改性。
　　(2).對MWNTs-NH2進行鉛離子印跡反應，得到 Pb-IIP-MWNTs，并使其對鉛離子具有特異選擇性吸附。對Pb-IIP-MWNTs的化學結(jié)構(gòu)、晶型結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性及選擇性吸附性能進行了表征。結(jié)果表明：Pb-I

5、IP-MWNTs的生成及鉛離子印跡反應中，碳納米管的結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生破壞；通過TG和ICP測試說明了鉛離子印跡后，在洗脫的過程中不能被完全洗脫，會有部分鉛離子的殘留；研究了Pb-IIP-MWNTs的靜態(tài)吸附容量，確定500 mg/l的硝酸鉛溶液為選擇性吸附時的濃度；探討了MWNTs-NH2和Pb-IIP-MWNTs的選擇性吸附，Pb-IIP-MWNTs對鉛離子的吸附容量大于MWNTs-NH2的吸附容量，其特異性吸附量為17.44 mg/g；

6、在相同條件下，鉛離子在Pb-IIP-MWNTs中的分配系數(shù)明顯高于在MWNTs-NH2中的分配系數(shù)；由Pb-IIP-MWNTs的吸附等溫線研究得出Pb-IIP-MWNTs吸附硝酸鉛符合Langmuir模型，為位點有限的表面單分子層吸附；研究了鉛離子印跡碳納米管的機理，發(fā)現(xiàn)鉛離子印跡反應中水分子可提供—OH， MWNTs-NH2可提供—NH2，羥基中的氫和氨基中的氮原子可與鉛離子形成螯合結(jié)構(gòu)，進而使得MWNTs-NH2對鉛離子具有特異選擇

7、識別性能。
　　(3).采用相轉(zhuǎn)化法制備了PES/鉛離子印跡碳納米管雜化膜，與純PES膜相比，可明顯的提高雜化膜的親水性，并對鉛離子具有選擇性吸附。Pb-IIP-MWNTs的加入使雜化膜的水通量增大，孔隙率增大，收縮率減小，拉伸強度增強，熱穩(wěn)定性變好。結(jié)果如下：當Pb-IIP-MWNTs含量為1.5％時，水通量最大為317.5 l.m-2.h-1，此時孔隙率為80.1%；接觸角隨著 Pb-IIP-MWNTs含量的增加而逐漸減小，從

8、81.2°逐漸降低到74.1°；隨著Pb-IIP-MWNTs的添加量從0%增大到2%，雜化膜拉伸強度和斷裂伸長率隨著Pb-IIP-MWNTs含量的增大先增大再減小，在Pb-IIP-MWNTs的含量為1.5%時，拉伸強度和斷裂伸長率達到最大值3.8 MPa和34.9%；熱穩(wěn)定性也得到了明顯的提升，純PES膜在質(zhì)量損失8%時的溫度為451℃，殘余量為37.5%，而添加2%Pb-IIP-MWNTs的PES雜化膜在質(zhì)量損失8%時的溫度為471℃

9、，殘余量為44.2%；從SEM圖可以看出，雜化膜為典型的非對稱膜結(jié)構(gòu)，具有明顯的指狀孔和較致密的皮層結(jié)構(gòu)；AFM圖像則說明了Pb-IIP-MWNTs的加入量為1.5%時，能夠有效地改善PES膜表面的粗糙度，使雜化膜表面更為光滑致密；膜的選擇性吸附證明當Pb-IIP-MWNTs加入膜中后，Pb-IIP-MWNTs仍能識別鉛離子，并膜保持了對鉛離子的特異性識別功能，能選擇性吸附鉛離子。
　　雖然隨著Pb-IIP-MWNTs含量的增加，

10、PES雜化膜的接觸角、收縮率降低，水通量和孔隙率增大，拉伸強度增強，熱穩(wěn)定性變好。但是過量的Pb-IIP-MWNTs會導致水通量降低、孔隙率減小、拉伸強度降低等問題，所以在制備 PES雜化膜過程中使用1.5%的Pb-IIP-MWNTs就能夠較好地提高膜親水性。
　　綜上所述，本文在研究Pb-IIP-MWNTs及PES/鉛離子印跡碳納米管雜化膜的制備方面取得了一些有意義的成果，Pb-IIP-MWNTs對鉛離子具有特異選擇性吸附性能，