基于堿式擴(kuò)散滲析雜化膜的制備與性能研究.pdf

1、聚合物/無機(jī)納米材料雜化膜因其兼具有機(jī)和無機(jī)材料的優(yōu)異性能，成為近年來膜制備研究與應(yīng)用領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一，擴(kuò)散滲析用雜化膜也不例外。擴(kuò)散滲析是一種以濃差為推動(dòng)力的低能耗膜分離技術(shù)，在膜法水處理，尤其是面向堿性廢水處理方面有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。然而由于缺乏合適的堿式擴(kuò)散滲析用膜，堿回收擴(kuò)散滲析工藝的發(fā)展受到嚴(yán)重制約。因此，本文以制備具有高的OH-離子通量和選擇性、低的溶脹度、高的堿穩(wěn)定性、高的機(jī)械穩(wěn)定和熱穩(wěn)定性的堿式擴(kuò)散滲析用雜化膜為研究

2、內(nèi)容。結(jié)合聚合物/無機(jī)納米材料雜化膜的特點(diǎn)，以有機(jī)高分子聚合物磺化聚苯醚(SPPO)為有機(jī)相、納米氧化硅為無機(jī)相，通過溶液共混的方法，制備了一系列堿式擴(kuò)散滲析用聚合物/無機(jī)納米材料雜化膜。在此基礎(chǔ)上，對(duì)制備的膜進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和性能的表征，模擬了其堿回收性能，探討了雜化膜結(jié)構(gòu)與膜的擴(kuò)散滲析分離性能之間的關(guān)系，根據(jù)研究?jī)?nèi)容和實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出如下結(jié)論:
　　(1)利用SPPO和納米氧化硅顆粒，通過溶液共混的方法制備了一系列SPPO/nano

3、silica雜化陽離子交換膜并進(jìn)行SEM，TGA及機(jī)械性能等表征。隨著納米氧化硅含量的增加，膜的水含量(WR)范圍為71-74％，離子交換容量(IEC)范圍1.48-1.69 mmol/g，且具有良好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。65℃2M NaOH浸泡條件下，膜的溶脹度為73％-78％。利用NaOH/Na2WO4混合體系模擬工業(yè)堿性廢水，測(cè)試了在不同溫度下膜的堿回收性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)納米氧化硅的添加量為8％時(shí)，雜化膜在55℃下的UOH達(dá)

4、到0.014 m/h，同時(shí)選擇性系數(shù)保持在34.5，在選擇性與商業(yè)SPPO膜（0.00136m/h，36）相當(dāng)?shù)臈l件下通量增加了10倍。通過對(duì)雜化膜微觀結(jié)構(gòu)的表征，建立了雜化膜結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系:納米氧化硅表面的-OH通過氫鍵作用構(gòu)筑了OH-傳遞的輔助通道，促進(jìn)了OH-的傳遞。
　　(2)首先利用丙磺酸內(nèi)酯對(duì)納米氧化硅顆粒進(jìn)行了磺化，然后將SPPO和磺化納米氧化硅(SNS)通過溶液共混的方式制備了一系列SPPO/SNS雜化陽離子

5、膜并進(jìn)行了SEM，TEM，TGA以及機(jī)械性能的測(cè)試。結(jié)果顯示制備的膜離子交換容量在1.87-2.00 mmol/g之間，且具有良好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。利用NaOH/Na2WO4混合體系模擬的堿回收性能測(cè)試結(jié)果顯示，雜化膜在較高溫度下（大于35℃）顯示出優(yōu)異的分離效果:當(dāng)SNS添加量為4％時(shí)，55℃下膜的UOH為0.014 m/h，同時(shí)選擇性系數(shù)為34，均比純的SPPO要好。對(duì)于膜的微觀結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的分析結(jié)果表明:SNS表面的-

6、SO3H與SPPO主鏈上的-SO3Na一起構(gòu)筑了促進(jìn)Na+傳遞的輔助通道，也就促進(jìn)了OH-的擴(kuò)散。
　　(3)首先利用γ-氨丙基三乙氧基硅烷對(duì)納米氧化硅進(jìn)行表面修飾，制備了表面氨基化的納米氧化硅(AFNS)，并將其與氫型SPPO(H-SPPO)通過溶液共混的方式制備了一系列H-SPPO/AFNS雜化膜。膜的含水量為41％-48％，理論離子交換容量為2.13-2.32 mmol/g，SEM，TEM，耐堿性，熱穩(wěn)定性及機(jī)械穩(wěn)定性的測(cè)試

7、結(jié)果表明膜具有良好的穩(wěn)定性，且AFNS與H-SPPO之間的相容性良好。利用NaOH/Na2WO4混合體系模擬的堿回收性能測(cè)試結(jié)果顯示，雜化膜在室溫下(25℃)顯示出優(yōu)異的分離效果:當(dāng)AFNS添加量為8％時(shí)，UOH為0.0086 m/h，同時(shí)選擇性系數(shù)為50.3，均高于商業(yè)化的SPPO膜。對(duì)于膜的微觀結(jié)構(gòu)和傳質(zhì)機(jī)理的分析結(jié)果表明:AFNS表面的-NH2與H-SPPO的-SO3H之間由于酸堿相互作用形成酸堿對(duì)，通過與OH-之間的氫鍵作用促進(jìn)

8、了其傳遞;AFNS的存在誘導(dǎo)了-SO3H基團(tuán)的有序排列，形成了納米尺度的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，增加了有效傳質(zhì)面積，促進(jìn)了離子的傳遞。
　　(4)首先通過溶膠-凝膠法合成了球形介孔氧化硅(SMS)，通過溶液共混法將其與PVA溶液混合并利用戊二醛進(jìn)行交聯(lián)，通過控制SMS的添加量分別為PVA質(zhì)量的0，2％，4％，6％，8％，制備出一系列PVA/SMS雜化非離子膜。對(duì)膜基本性能的測(cè)試結(jié)果顯示膜的含水量在70.1％-105.7％之間，膜的耐堿性、熱穩(wěn)定