高性能有機(jī)汲取液的合成及正滲透應(yīng)用.pdf

1、正滲透（FO）由膜兩側(cè)的滲透壓差驅(qū)使水分子從水勢(shì)高的料液側(cè)滲透到水勢(shì)低的汲取液側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)溶液的自發(fā)分離，在能源和水處理方面具有巨大的應(yīng)用潛力，引起了極大的關(guān)注。然而由于缺乏合適的汲取液導(dǎo)致FO長(zhǎng)期沒(méi)有獲得實(shí)際應(yīng)用。理想的汲取液要滿足分子尺寸大小合適，高的滲透壓水通量，低的反向溶質(zhì)通量和易于低能耗回收等特征。傳統(tǒng)無(wú)機(jī)汲取液分子尺寸小極易穿過(guò)FO膜，產(chǎn)生嚴(yán)重的反向溶質(zhì)通量和濃差極化，且只能通過(guò)反滲透回收，消耗大量能源。有機(jī)合成型汲取液易通

2、過(guò)結(jié)構(gòu)修飾引入強(qiáng)親水基團(tuán)，同時(shí)調(diào)控分子尺寸，達(dá)到改善溶解度，增強(qiáng)滲透壓和水通量，同時(shí)達(dá)到降低反向溶質(zhì)泄漏的目的，已成為當(dāng)前正滲透汲取液研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。
　　強(qiáng)親水性基團(tuán)（如：-COOH，-PO3H2）在水中能釋放出離子而產(chǎn)生高的滲透壓。向有機(jī)結(jié)構(gòu)中引入羧基和膦酸基是提高汲取液滲透壓的簡(jiǎn)單而有效的方法。本論文先期探索了含羧基的分子尺寸不同的葡萄糖酸鹽對(duì)FO性能的影響；之后在分子水平上設(shè)計(jì)合成了系列不同尺寸結(jié)構(gòu)的有機(jī)羧酸和膦酸鹽，其化

3、學(xué)結(jié)構(gòu)經(jīng)紅外、核磁、高分辨率質(zhì)譜表征。將其作為汲取液用于FO過(guò)程，有效改善了汲取液的溶解度，粘度，pH等物理化學(xué)性質(zhì)，提高了汲取液的水通量，有效降低了汲取液的反向溶質(zhì)通量，同時(shí)還適用于納濾回收。另外，試驗(yàn)篩選了綜合性能突出的汲取液進(jìn)行FO應(yīng)用，考查汲取液的在不同領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。論文主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　（1）探索可再生的天然化合物作為汲取液可有效擺脫目前大多數(shù)汲取溶液的存在反向溶質(zhì)泄漏和回收過(guò)程高能源消耗的問(wèn)題。本論文利用一系列

4、可再生的、無(wú)毒的葡糖酸鹽作為汲取液，進(jìn)行了FO應(yīng)用研究，并系統(tǒng)地研究了其物理化學(xué)性質(zhì)（如溶解度，分子大小，粘度，滲透壓，濃度）、FO膜正反朝向和膜類型對(duì)FO性能的影響。相比葡萄糖，含羧基的葡萄糖酸鹽能產(chǎn)生更高的滲透壓和水通量；分子尺寸更大的葡萄糖酸鹽的反向溶質(zhì)通量遠(yuǎn)低于氯化鈉。此外，葡糖酸鉀汲取液被進(jìn)一步應(yīng)用于果汁再濃縮，并實(shí)現(xiàn)納濾回收。這項(xiàng)研究提供了關(guān)于使用天然可再生汲取液用于FO過(guò)程的有用信息，并促進(jìn)其在食品加工領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

5、r>　?。?）通過(guò)簡(jiǎn)單的兩步親核取代反應(yīng)合成一類新型含不同羧基數(shù)目的有機(jī)羧酸鈉鹽（CASS），化學(xué)結(jié)構(gòu)經(jīng)紅外、核磁、高分辨率質(zhì)譜表征證實(shí)。系統(tǒng)研究了CASS汲取液濃度對(duì)滲透壓和粘度，以及FO性能的影響。通過(guò)優(yōu)化乙二胺四丙酸鈉鹽（EDTP）溶液pH值和計(jì)算pH變化過(guò)程中EDTP的組分分布，證實(shí)pH調(diào)節(jié)可有效改善其溶解度和滲透壓。在 PRO模式下，0.5g·mL-1的三乙烯四胺六丙酸鈉鹽（TTHP-Na）汲取液可產(chǎn)生23.07L·m-2 h

6、-1高水通量和0.75g m-2 h-1可接受的反向溶質(zhì)通量。TTHP-Na汲取液被進(jìn)一步用于含剛果紅染料廢水回收，并實(shí)現(xiàn)納濾回收，顯示出巨大的FO應(yīng)用潛力。
　?。?）通過(guò)一步反應(yīng)制備系列結(jié)構(gòu)新穎、分子量不同的有機(jī)羧酸鈉鹽（OCAS）汲取質(zhì)，其系列結(jié)構(gòu)經(jīng)紅外、核磁、高分辨率質(zhì)譜鑒定。通過(guò)優(yōu)化OCAS溶液特性，研究了pH值優(yōu)化、濃度變化對(duì)相關(guān)的FO性能的影響。四乙烯五胺七乙酸鈉鹽（STPH）和聚馬來(lái)酸鈉（PMAS）汲取液能產(chǎn)生高的

7、水通量和低的的反向溶質(zhì)通量，優(yōu)于許多其他已報(bào)道的汲取液。在海水淡化試驗(yàn)中STPH可穩(wěn)定產(chǎn)生9.7L·m-2 h-1水通量，表明其巨大的海水淡化應(yīng)用潛力。此外，利用納濾能實(shí)現(xiàn)高截留率濃縮稀STPH和PMAS溶液，同時(shí)還探索了冷凍濃縮稀的STPH溶液。該項(xiàng)研究表明OCAS具有作為汲取液進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的潛能。
　　（4）通過(guò)類Mannich反應(yīng)一步合成一系列的有機(jī)膦酸鹽（OPSs），結(jié)構(gòu)通過(guò)紅外和核磁表征確認(rèn)，并作為新穎汲取液用于FO應(yīng)用。