PP中空纖維膜材料的功能化改性及其分離性能研究.pdf

1、聚丙烯(PP)中空纖維膜具有比表面積大、組件無需支撐體、設備小型化、結構簡單等優(yōu)點,被廣泛應用于膜蒸餾、氣體分離、廢水處理等領域。但由于聚丙烯為疏水性材料,在處理水基流體時能耗高且污染嚴重;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較差。因而對PP中空纖維膜進行功能化改性,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,結合靜態(tài)溶液浸泡法及物理表面交

2、聯(lián)法,對PP中空纖維超濾膜進行功能化改性,獲得具有特定分離性能的CMCNa/PP中空纖維復合膜。論文通過PP中空纖維膜的表面性質(zhì)表征及分離性能測試,對功能化改性工藝進行優(yōu)化,并研究運行條件對CMCNa/PP中空纖維復合膜分離性能的影響,最后采用浸沒式過濾操作方式將其應用于染料分離試驗,研究復合膜對染料的分離效果.
　　 FT-IR及SEM表征結果表明通過羧甲基纖維素鈉與氯化鐵的交聯(lián)反應,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),復合膜表面帶有負電荷,為高價陰離子的截留創(chuàng)造條件。
　　 實驗考察了功能化改性工藝對CMCNa/PP中空纖維復合膜分離性能的影響,發(fā)現(xiàn)通過改變涂覆條件及交聯(lián)條件可以有效控制復合膜表層的平均孔徑,從而調(diào)節(jié)復合膜的無機鹽截留率。適當增加CM

4、CNa濃度、交聯(lián)劑濃度以及涂覆次數(shù)或延長涂覆時間、交聯(lián)時間均可以提高復合膜表層的致密度,從而在犧牲一定滲透通量的前提下,提高復合膜對無機鹽的截留率。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、涂覆時間及交聯(lián)時間的影響最小,基本可以忽略。此外,在涂覆液中添加一定的聚丙烯酸鈉(PAAS)可以提高復合膜對無機鹽的截留率,但效果相對較小。綜合考慮復合膜的無機鹽截留率及滲透通量,認為較優(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20 min。該條件下獲得的CMCNa/PP中空纖維復合膜的截留分子量約為720 Da,在0.3 Mpa、25℃及pH6.8下,對500 mg/l Na2SO4溶液的截留率為87.7％,對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CMCNa

6、/PP中空纖維復合膜的分離性能產(chǎn)生影響外,運行條件同樣影響復合膜的分離性能。當操作壓力在0.1～0.5 Mpa的范圍內(nèi)變化時,滲透通量隨壓力的增加呈線性增加,無機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較慢且逐漸趨于穩(wěn)定:復合膜對無機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較大;復合膜對不同無機鹽的截留順序為CaCl2(0.9％)＜MgCl2(1.7％)＜MgSO4(17.2％)＜NaCl(2

7、9.6％)＜KCl(40.7％)＜Na2SO4(87.7％),說明復合膜能有效截留高價陰離子,但對高價陽離子的截留性能則相對較差;在料液pH高于6.6時,膜表面帶有較強的負電性,對無機鹽的截留率維持在較高的水平,但當料液pH低于6.0時,膜表面負電荷密度降低、CMCNa與FeCl3的絡合作用減弱,致使復合膜涂層孔徑變大,因而導致無機鹽截留率下降、滲透通量升高:中性條件下,CMCNa/PP中空纖維復合膜具有穩(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中空纖維復合膜以浸沒式過濾的操作方式應用于染料分離試驗研究,發(fā)現(xiàn)采用浸沒式過濾能有效實現(xiàn)染料溶液中的染料分子與無機鹽的分離。復合膜對染料的截留主

9、要受尺寸效應及道南排斥效應的共同作用;復合膜對甲基藍、剛果紅染料的截留率分別高達99.7％、99.9％.而對染料中的NaCl截留率則低于10％。CMCNa/PP中空纖維復合膜對染料的分離性能受染料濃度、染料濃縮倍數(shù)及無機鹽濃度的影響。實驗范圍內(nèi),染料濃度及濃縮倍數(shù)的增加會小幅度降低復合膜的滲透通量,而染料中無機鹽濃度的增加,則會提高復合膜的滲透通量。染料濃度、染料濃縮倍數(shù)及無機鹽濃度對CMCNa/PP中空纖維復合膜的截留率的影響相對較小