添加剂共混改性CA正渗透膜的制备及抗污染性研究

缺乏高性能的渗透膜是阻碍正渗透技术发展的主要因素。研究证明,亲水性添加剂共混能够有效提高CA正渗透膜性能。

目前,有关添加剂改性CA膜方面的研究缺少系统性和全面性。本文从多方面系统地研究了6种添加剂对CA正渗透膜性能的影响。

主要研究内容包括:以醋酸纤维素(CA)为膜材料,分别以ZnCl2、乳酸、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、SiO2、TiO2和功能化的碳纳米管(fCNT)为添加剂,利用相转化法对CA正渗透膜进行共混改性;并利用原子力显微镜(AFM)、接触角测定仪和扫描电子显微镜(SEM)考察了添加剂对CA膜结构和表面特性的影响;以及通过测定不同CA膜的水通量及反向盐通量,研究了添加剂对CA正渗透膜分离性能的影响;同时,测定了CA膜在牛血清蛋白(BSA)污染实验中的通量衰减速率和通量恢复率,并结合不同CA正渗透膜表面与污染物BSA之间的微观作用力,研究了添加剂对CA膜的抗BSA污染性能的影响。结果表明:(1)乳酸和ZnCl2对CA膜粗糙度无明显影响;PVP使得CA膜的粗糙度增加了3nm,但不受其含量影响;当纳米颗粒添加剂fCNT、TiO2和SiO2的含量分别增加到1wt%,2wt%和2wt%时,CA膜中的纳米颗粒出现团聚作用,使得CA膜粗糙度急剧增大。

6种添加剂均能提高CA膜的表面亲水性,而且亲水性随添加剂含量的增加而增强,其效果从好到差依次是:fCNT、ZnCl2、TiO2、SiO2、乳酸、PVP。(2)6种添加剂均可优化CA膜内部结构,使得CA内部膜孔增大,指状孔数量增多。

其中,传统添加剂ZnCl2的效果最佳;CA膜ZnCl2-2的内部膜孔直径最大,弯曲率最小。与ZnCl2相比,其它5种添加剂改性的CA膜的指状孔数量较少。

(3)在提高CA膜的水通量方面,ZnCl2效果最佳,CA膜ZnCl2-2水通量高达

15.7 L/(m2?h),比无添加剂CA膜和商业CTA膜分别高175%和34%。乳酸和PVP改性的CA膜水通量分别是14.6和10.8 L/(m2?h)。

3种纳米颗粒添加剂对CA膜的水通量有提高,但效果不如ZnCl2和乳酸,其通量约为9 L/(m2?h)。6种添加剂均可降低CA正渗透膜的反向盐通量,其中ZnCl2和3种纳米颗粒添加剂的效果最佳,最低可达0.458 g/(m2?h),其次是PVP,最差的是乳酸。

(4)3种纳米颗粒对CA膜通量衰减速率降低效果相近且最佳,其次是ZnCl2,最后是PVP和乳酸。纳米颗粒改性的CA膜的通量恢复率均在96%以上,其次是CA膜ZnCl2-2通量恢复率为96.5%,乳酸-5和PVP-2分别为89.3%、85.5%。

BSA与CA膜之间的微观作用力由弱到强依次是:含纳米颗粒CA膜、ZnCl2-2、乳酸-5、PVP-2和无添加剂CA膜。总之,纳米颗粒fCNT、TiO2和SiO2对CA膜的抗BSA污染性提高效果优于传统添加剂ZnCl2、乳酸、PVP。