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己二酸調(diào)控聚醚砜/磺化聚砜致密超濾膜結(jié)構(gòu)及染料/鹽選擇分離性能

發(fā)布時(shí)間:2020年7月8日 點(diǎn)擊數(shù):5725

隨著我國(guó)紡織工業(yè)的快速發(fā)展,紡織廢水造成的水污染日益嚴(yán)重[1].由于在染料生產(chǎn)和織物染色等過(guò)程中使用了大量的苯系、萘系、蒽醌、苯胺及聯(lián)苯胺等有毒化合物和無(wú)機(jī)鹽(NaCl、Na2SO4)等,致使染料廢水水質(zhì)復(fù)雜、色度大、化學(xué)需氧量(COD)高、可生化性差,而且鹽度高,難以有效處理和回用[2].此外,染料廢水中的污染物均為有毒的潛在致癌物,對(duì)水生生物和人類飲水健康構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅[3,4].因此,如何高效處理染料廢水以實(shí)現(xiàn)水資源再利用一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界所面臨的難題.

目前染料廢水處理主要方法有化學(xué)法(如化學(xué)氧化法、絮凝法等)[3,4]、生化法[5,6]、物理法[7,8](如吸附、膜分離等)等.其中膜分離技術(shù)因具有綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)可行、能實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的精準(zhǔn)分離等特點(diǎn),已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于染料廢水處理行業(yè).例如,He等[9]采用非對(duì)稱醋酸纖維素膜對(duì)活性橙12等5種活性染料進(jìn)行處理,其截留率均大于99.0%,對(duì)NaCl截留率低于10%,對(duì)10 g/L Na2SO4的截留率約為50%.同樣地,Lin等[10]使用商業(yè)化疏松納濾膜(Sepro NF6和NF2A)對(duì)染料/鹽混合體系進(jìn)行分離測(cè)試.結(jié)果表明,兩種疏松納濾膜對(duì)直接紅23和剛果紅的截留率均大于99.6%,對(duì)NaCl截留率均小于33.3%.盡管納濾膜能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)染料和一價(jià)鹽的有效分離,但截留液中仍然存在大量二價(jià)和高價(jià)鹽.Zhang等[11]通過(guò)NIPS法制備了荷負(fù)電聚芳醚砜納濾膜,該膜對(duì)羅丹明B的截留率高于98.7%,對(duì)MgCl2和FeCl3的截留率分別為63.3%和70.2%,無(wú)法實(shí)現(xiàn)染料/鹽混合體系的高選擇性分離.另外,若進(jìn)料液鹽分含量較高,其滲透壓將會(huì)過(guò)大從而造成納濾膜通量出現(xiàn)大幅度衰減,極大限制了納濾膜在染料廢水處理中的應(yīng)用.

研究發(fā)現(xiàn),在膜表面電荷作用下適度調(diào)控膜孔徑,可以在保證染料高截留情況下降低對(duì)二價(jià)鹽的截留率,實(shí)現(xiàn)染料和鹽的選擇性分離.Liu等[12]使用NIPS法制備了羧基化的聚芳醚酮(PAEK - COOH)致密超濾膜,其孔徑為1.76 nm,純水通量為119.6 L/(m2·h),對(duì)考馬斯亮藍(lán)的截留率高于99.7%,對(duì)Na2SO4的截留率低于10%,能夠?qū)崿F(xiàn)染料和鹽混合液的高選擇性分離.此外,本課題組曾研究了鑄膜液體系PES/SPSf/N,N - 二甲基乙酰胺(DMAc)(固含量為18%)中添加劑水含量對(duì)膜結(jié)構(gòu)和性能的影響[13].結(jié)果表明,水分子可與SPSf分子鏈上磺酸基團(tuán)形成氫鍵.隨著鑄膜液中水含量的增大,水與SPSf之間的相互作用增強(qiáng),共混膜斷面逐漸由指狀孔變?yōu)楹>d狀孔結(jié)構(gòu).盡管該膜純水通量較高[858 L/(m2·h)],BSA截留率為90.5%,但其孔徑較大(23.9 nm),對(duì)染料的截留率比較低.此外,本課題組Dlamini等[14]發(fā)現(xiàn)親水性小分子物質(zhì)(例如己二酸)有利于在膜表面生成小孔,因此本研究最終選取了己二酸作為添加劑,其目的是通過(guò)NIPS法制備孔徑較小的致密超濾膜.

本文以PES和親水性SPSf為原料配置鑄膜液,己二酸為致孔劑,采用NIPS法制備PES/ SPSf致密超濾膜,重點(diǎn)探究己二酸添加量對(duì)共混膜結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律,并分析共混膜對(duì)染料和二價(jià)鹽的分離性能以及運(yùn)行穩(wěn)定性.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

材料:PES,相對(duì)分子質(zhì)量63 000,比利時(shí)蘇威公司;磺化聚砜(SPSf),磺化度25%,天津硯精科技有限公司;聚乙二醇(PEG),相對(duì)分子質(zhì)量400、1 000、2 000、6 000和10 000,天津光復(fù)科技有限公司;DMAc,分析純,天津科密歐化學(xué)試劑有限公司;己二酸、靛藍(lán)磺酸鈉(IC)、酸性品紅(AF)、剛果紅(CR)、直接紅23(DR23)、依文思藍(lán)(EB),百靈威科技有限公司;氯化鈉(NaCl)、氯化鎂(MgCl2)、硫酸鈉(Na2SO4)、硫酸鎂(MgSO4),天津光復(fù)科技有限公司;所用水為實(shí)驗(yàn)室自制去離子水.

儀器: 自動(dòng)涂膜機(jī)(Elcometer 4340,英國(guó)Elcometer公司);熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(S - 4800,日本Hitach儀器公司);紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV - 1102,上海天美科技有限公司);衰減全反射傅里葉變換紅外光譜(NicoletiS50,賽默飛世爾科技公司).膜分離性能測(cè)試裝置(自制);萬(wàn)能拉伸機(jī)(YG - 065,萊州市電子儀器有限公司);總有機(jī)碳分析儀(L - CPH,日本津島公司).

1.2 PES/SPSf 致密超濾膜制備

鑄膜液配制:按照表1鑄膜液設(shè)計(jì)配方,配制鑄膜液(其中PES/SPSf固含量為31%,膜編號(hào)M后數(shù)字為鑄膜液中己二酸含量).將一定量的聚合物(PES和SPSf)、添加劑(己二酸)和溶劑(DMAc)倒入到三口燒瓶中配制鑄膜液.在70 ℃水浴條件下連續(xù)攪拌8 h使鑄膜液完全溶解為均一狀態(tài).隨后將鑄膜液置于50 ℃烘箱內(nèi)脫泡8 h.

表1 鑄膜液配方設(shè)計(jì) 導(dǎo)出到EXCEL

Table 1 Composition of casting solutions


膜編號(hào)
固含量*/% PES/g SPSf/g DMAc/g 己二酸*/%

M0
31 15.624 2.976 45 0

M5
31 15.624 2.976 45 5

M7
31 15.624 2.976 45 7

M9
31 15.624 2.976 45 9

M11
31 15.624 2.976 45 11

M13
31 15.624 2.976 45 13

注:*為質(zhì)量分?jǐn)?shù).

NIPS法制備共混超濾膜:將鑄膜液緩慢傾倒于干燥的玻璃板上,控制刮膜厚度為200 μm,用刮刀將鑄膜液刮制成均勻的初生膜,隨后將初生膜快速放入溫度為25 ℃的凝固水浴中發(fā)生水和溶劑的雙擴(kuò)散進(jìn)而固化成膜.最后,將制備的平板膜在超純水中浸泡24 h進(jìn)行后處理,以充分除去殘余的添加劑和溶劑等.按照表1設(shè)計(jì),最終制備出6種共混膜M0 - M13.

1.3 PES/SPSf致密超濾膜結(jié)構(gòu)表征

1.3.1 鑄膜液黏度測(cè)試

聚合物分子鏈在不同溫度下因其流動(dòng)性不同會(huì)發(fā)生不同程度的纏繞.為了探究不同溫度下鑄膜液黏度的變化規(guī)律,實(shí)驗(yàn)使用NDJ-8S數(shù)字式旋轉(zhuǎn)黏度計(jì),對(duì)不同溫度下鑄膜液的黏度進(jìn)行了測(cè)定并記錄其變化規(guī)律.

1.3.2 膜結(jié)構(gòu)表征

采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)對(duì)膜表面和斷面的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.將濕膜在-50 ℃的環(huán)境中冷凍干燥10 h后進(jìn)行樣品制備,斷面由膜在液氮中脆斷得到.為增強(qiáng)樣品的導(dǎo)電性,測(cè)試前需對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理.

1.3.3 ATR - FTIR表征

膜表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)通過(guò)衰減全反射傅里葉變換紅外光譜(ATR - FTIR)進(jìn)行分析.測(cè)試所用的膜需經(jīng)冷凍干燥處理.

1.3.4 力學(xué)性能測(cè)試

拉伸強(qiáng)度σ1是用來(lái)表征膜機(jī)械性能的重要參數(shù)[15].將冷凍干燥后的共混膜裁剪成6 cm×1.5 cm的長(zhǎng)條并記錄膜的厚度,而后將膜固定在動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀的上下夾具上,以5 mm/min的拉伸速率進(jìn)行測(cè)試.記錄膜斷裂前施加的最大強(qiáng)度以及膜拉伸后的長(zhǎng)度,根據(jù)式(1)對(duì)膜的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算.

σ1=pbd (1)

式中:σ1為膜的拉伸強(qiáng)度,MPa;d為測(cè)試膜片的厚度,mm;p為膜斷裂前施加的最大強(qiáng)度,N.

1.3.5 MWCO測(cè)試及孔徑表征

使用不同相對(duì)分子質(zhì)量的PEG測(cè)定PES/SPSf共混膜的截留分子量(MWCO)和平均孔徑.在運(yùn)行壓力0.2 MPa下對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量分別為400、1 000、4 000、6 000和10 000、濃度為0.1 g/L的6組PEG溶液進(jìn)行過(guò)濾測(cè)試.膜MWCO定義為當(dāng)PEG截留率≥90%時(shí)對(duì)應(yīng)的PEG相對(duì)分子質(zhì)量.膜孔徑根據(jù)PEG截留率為50%時(shí)對(duì)應(yīng)的PEG相對(duì)分子質(zhì)量由式(2)計(jì)算得到[16].

rs=33.546×10-12Mw0.577 (2)

式中:rs為膜孔徑,nm;Mw為PEG截留率為50%時(shí)對(duì)應(yīng)的PEG相對(duì)分子質(zhì)量.

1.3.6 膜的孔隙率及表面孔隙率

膜孔隙率定義為膜孔體積占膜總體積的百分比.具體測(cè)定方法如下:將共混膜保存在去離子水中,使膜充分吸水后用濾紙將膜上下表面的水輕輕吸干,記錄其質(zhì)量,而后將共混膜放入培養(yǎng)皿并置于50 ℃的烘箱中干燥24 h后稱重,利用式(3)計(jì)算孔隙率.

δ=Ww-Wdsdρ×100% (3)

式中:δ為膜孔隙率,%;Ww、Wd分別為干膜和濕膜質(zhì)量,g;d為測(cè)試樣品膜的平均厚度,cm;s為測(cè)試樣品膜的面積,cm2;ρ為水密度,g/cm3.

表面孔隙率是指膜表面孔的面積占膜表面總面積的百分比,由Image J軟件進(jìn)行測(cè)量.

1.4 PES/SPSf致密超濾膜滲透分離性能

1.4.1 純水通量

將平板膜放入錯(cuò)流裝置中,在0.3 MPa的壓力下用去離子水預(yù)壓0.5 h,待體系運(yùn)行穩(wěn)定后將壓力減小至0.2 MPa,隨后進(jìn)行純水通量測(cè)試.純水通量由式(4)計(jì)算得到:

Q=VAt (4)

式中:Q為純水通量.L/(m2·h);V為一定時(shí)間內(nèi)透過(guò)液的體積,L;A為所測(cè)試平板膜的有效面積,m2;t為測(cè)試時(shí)間,h.

1.4.2 染料/鹽分離性能

在25 ℃下配制染料溶度和鹽濃度分別為0.1 g/L和1 g/L的混合溶液.首先在0.3 MPa壓力下用純水預(yù)壓0.5 h,而后將壓力減小到0.2 MPa并將純水換成待測(cè)溶液,待體系運(yùn)行穩(wěn)定后收集樣品以進(jìn)行后續(xù)測(cè)試.染料、鹽的截留率均通過(guò)式(5)進(jìn)行計(jì)算:

R=(1-CfCΡ)×100% (5)

式中:R為截留率,%;Cf為原液中染料濃度(g/L)或鹽電導(dǎo)率(μS/cm);Cp為透過(guò)液染料濃度(g/L)或鹽電導(dǎo)率(μS/cm).

2 結(jié)果與討論

2.1 鑄膜液體系黏度

鑄膜液PES/SPSf/DMAc體系黏度隨著致孔劑己二酸含量的增加發(fā)生變化.圖1顯示了不同溫度下己二酸添加量對(duì)鑄膜液黏度的影響規(guī)律.結(jié)果表明,PES/SPSf/己二酸/DMAc鑄膜液體系的黏度隨著溫度升高而逐漸降低,表現(xiàn)出與時(shí)間的依賴性.例如,對(duì)于M11體系,隨著鑄膜液溫度從40 ℃增加至70 ℃,其黏度從29 990 mPa·s逐漸降至9 100 mPa·s.另外,從圖1還可以發(fā)現(xiàn),以鑄膜液溫度為70 ℃時(shí)為例,隨著鑄膜液中己二酸添加量從0增加到11%,鑄膜液黏度從816 mPa·s急劇增加至9 100 mPa·s.這一現(xiàn)象可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行解釋.首先,現(xiàn)有鑄膜液PES/SPSf/DMAc體系是完全相容體系[13].由于己二酸與SPSf分子鏈上磺酸基團(tuán)之間存在氫鍵作用,使鑄膜液發(fā)生凝膠化形成三維凝膠網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)致聚合物PES和SPSf分子鏈流動(dòng)性受限[13],從而導(dǎo)致鑄膜液黏度增大.此外,現(xiàn)有條件下己二酸完全溶解于DMAc中,隨著己二酸濃度的增加,共混體系中溶劑DMAc相對(duì)含量逐漸降低,從而降低了DMAc對(duì)聚合物的溶解程度[17].這兩個(gè)因素共同致使鑄膜液體系的黏度迅速增加,最終影響動(dòng)力學(xué)相分離過(guò)程和膜的形貌結(jié)構(gòu).

圖1 己二酸添加量對(duì)PES/SPSf/DMAc 鑄膜液黏度的影響

圖1 己二酸添加量對(duì)PES/SPSf/DMAc 鑄膜液黏度的影響   下載原圖

Fig.1 Effect of adipic acid concentration on the viscosity of PES/SPSf/DMAc casting solution

2.2 鑄膜液中己二酸添加量對(duì)膜結(jié)構(gòu)的影響

不同己二酸添加量PES/SPSf致密超濾膜的SEM斷面結(jié)構(gòu)如圖2所示.從圖2可以看出,當(dāng)己二酸添加量為0時(shí),所制備膜的斷面為典型非對(duì)稱結(jié)構(gòu)——致密的皮層和指狀支撐層.當(dāng)己二酸添加量增加至9%時(shí),膜斷面結(jié)構(gòu)中指狀孔和大空腔逐漸消失,海綿體結(jié)構(gòu)逐漸形成.當(dāng)己二酸添加量為11%~13%時(shí),膜斷面轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆>d體結(jié)構(gòu).這是由于己二酸添加影響鑄膜液的凝膠程度,從而形成不同形貌結(jié)構(gòu)的膜.隨著鑄膜液體系中的己二酸含量的提高,己二酸與SPSf分子鏈上的-SO-3之間形成的氫鍵數(shù)量增多,凝膠化加劇,從而抑制了聚合物分子鏈的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化過(guò)程中溶劑雙向擴(kuò)散的速率,最終形成海綿狀孔結(jié)構(gòu)[13].

圖2 鑄膜液體系中不同己二酸含量所制備的PES/SPSf致密超濾膜斷面SEM表征

圖2 鑄膜液體系中不同己二酸含量所制備的PES/SPSf致密超濾膜斷面SEM表征   下載原圖

Fig.2 SEM images of the cross section of PES/SPSf dense UF membranes obtained from the casting solutions with different adipic acid concentrations

另外發(fā)現(xiàn),在NIPS雙擴(kuò)散成膜過(guò)程中,添加劑己二酸也會(huì)隨著溶劑DMAc一起向凝固浴中擴(kuò)散,也促進(jìn)共混膜海綿狀孔結(jié)構(gòu)的形成.這一點(diǎn)可從共混膜樣品M0和M11紅外光譜中得到證實(shí),如圖3所示.一般來(lái)說(shuō),己二酸紅外譜圖在3 400~2 500 cm-1處出現(xiàn)強(qiáng)的-OH伸縮吸收,1 740~1 650 cm-1處出現(xiàn)C=O吸收,1 320~1 210 cm-1處出現(xiàn)C-O伸縮等.從圖3可以發(fā)現(xiàn),與己二酸添加量為0的共混膜M0對(duì)比,膜M11在紅外譜圖3 400~2 500 cm-1處沒(méi)有出現(xiàn)羧基中-OH特征吸收峰,1 740~1 650 cm-1和1 320~1 210 cm-1處也未發(fā)現(xiàn)CO和C-O的特征吸收峰.這就是說(shuō)共混膜M11中未發(fā)現(xiàn)殘留的己二酸.由此推測(cè)己二酸在成膜過(guò)程中僅充當(dāng)致孔劑并隨溶劑一起擴(kuò)散至凝固浴中.

圖3 PES/SPSf致密超濾膜M0和M11的紅外譜圖

圖3 PES/SPSf致密超濾膜M0和M11的紅外譜圖   下載原圖

Fig.3 FTIR spectra of PES/SPSf dense UF membranes (M0 and M11)

2.3 鑄膜液中己二酸添加量對(duì)膜性能的影響

2.3.1 滲透性能

共混膜純水通量是評(píng)價(jià)膜滲透性能的重要指標(biāo)之一.膜的滲透性能取決于膜的親水性、孔徑和孔隙率等因素的共同作用.圖4為所制備PES/SPSf致密超濾膜的純水通量(操作壓力0.2 MPa).從圖4可以看出,隨著鑄膜液中己二酸含量從0增加到11%,膜的純水通量從78.2 L/(m2·h) 增加至144.4 L/(m2·h).由表2可知,雖然隨著己二酸含量的增大,膜的孔隙率從62.8%(膜M0)下降至48.2%(膜M11).但共混膜表面開(kāi)孔率從6.4%(膜M0)提高至9.4%(膜M11),從而引起膜通量的提升.同時(shí),膜厚度從155 μm(膜M0)降低至128 μm(膜M11).這再一次證明己二酸的添加不僅提升了膜表面孔隙率,而且促進(jìn)了共混膜的收縮,降低了跨膜運(yùn)輸阻力,從而增大膜的透水性[18].

圖4 鑄膜液中不同己二酸含量所制備PES/SPSf 致密超濾膜的純水通量

圖4 鑄膜液中不同己二酸含量所制備PES/SPSf 致密超濾膜的純水通量   下載原圖

Fig.4 Pure water flux of PES/SPSf dense UF membranes obtained from the casting solutions with different adipic acid concentration

表2 PES/SPSf超濾膜膜厚及孔隙率 導(dǎo)出到EXCEL

Table 2 The thickness and porosity of PES/SPSf UF membranes


膜編號(hào)
膜厚/μm 孔隙率/% 表面孔隙率/%

M0
155 62.8 6.4

M5
148 56.4 8.3

M7
148 54.6 8.6

M9
146 50.7 9.1

M11
128 48.2 9.4

M13
129 47.9 9.5

2.3.2 力學(xué)性能分析

聚合物膜結(jié)構(gòu)決定了其力學(xué)性能.圖5為鑄膜液中己二酸含量對(duì)PES/SPSf共混膜力學(xué)性能的影響.從圖5可以看出,隨著鑄膜液中己二酸含量的增加,膜的力學(xué)強(qiáng)度由8.2 MPa(膜M0)增加至14.0 MPa(膜M11).這是因?yàn)槟11呈現(xiàn)完全的海綿狀孔結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2),賦予了比指狀孔結(jié)構(gòu)更高的力學(xué)性能.此外,膜的力學(xué)強(qiáng)度還歸因于膜材料本身的固有強(qiáng)度[19].總體來(lái)說(shuō),相較于純PES/SPSf共混膜,己二酸的加入大大提高了PES/SPSf共混膜力學(xué)性能.

綜上,己二酸含量為11%時(shí)共混膜的綜合性能最佳,在后續(xù)研究中將全部選用該膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

圖5 不同己二酸添加量PES/SPSf 致密超濾膜的力學(xué)性能

圖5 不同己二酸添加量PES/SPSf 致密超濾膜的力學(xué)性能   下載原圖

Fig.5 Mechanical property of PES/SPSf dense UF membranes with different adipic acid concentration

2.4 共混膜截留分子量與膜孔徑

共混膜M11的MWCO分別采用不同相對(duì)分子質(zhì)量的PEG水溶液進(jìn)行過(guò)濾測(cè)試,結(jié)果如圖6所示.從圖6可知,膜M11的切割分子量約為7 250,截留率為50%時(shí)對(duì)應(yīng)的相對(duì)分子質(zhì)量約為1 300.經(jīng)式(2)計(jì)算所得膜孔徑約為1.81 nm,介于超濾和納濾之間,證明該膜為致密超濾膜.

圖6 PES/SPSf致密超濾(膜M11)過(guò)濾不同相對(duì) 分子質(zhì)量PEG溶液時(shí)截留率

圖6 PES/SPSf致密超濾(膜M11)過(guò)濾不同相對(duì) 分子質(zhì)量PEG溶液時(shí)截留率   下載原圖

Fig.6 Rejection of M11 membrane versus PEG molecular wights

2.5 膜分離性能

膜的分離能力是評(píng)價(jià)膜使用性能的關(guān)鍵參數(shù)之一.重點(diǎn)考察膜M11對(duì)二元體系(CR/Na2SO4、CR/MgSO4混合液等)和三元體系(染料/染料/ Na2SO4混合液)的分離性能,如圖7所示.其中進(jìn)料液中染料和鹽的濃度分別為0.1g/L和1 g/L,操作壓力均為0.2 MPa.

圖7為共混膜M11對(duì)CR/NaCl、CR/MgCl2、CR/Na2SO4、CR/MgSO4 4種二元混合體系的分離性能.從圖7可知,當(dāng)剛果紅溶液中分別加入濃度為1 g/L的NaCl、MgCl2、MgSO4、Na2SO4后,膜M11對(duì)剛果紅的截留率仍為100%,對(duì)上述4種無(wú)機(jī)鹽的截留率分別為9.8%、10.6%、23.3%和24.6%.這說(shuō)明該膜表現(xiàn)出優(yōu)異的染料/鹽分離選擇性.但剛果紅的空間位阻較大(stokes半徑約為0.64 nm),在膜分離過(guò)程中容易產(chǎn)生膜污染使膜孔發(fā)生堵塞[20],因此,對(duì)于剛果紅和鹽的混合液,共混膜的滲透通量?jī)H為73.2 L/(m2·h).

圖7 共混膜M11過(guò)濾CR/鹽混合體系的分離性能

圖7 共混膜M11過(guò)濾CR/鹽混合體系的分離性能   下載原圖

Fig.7 Separation performance of M11 for the filtration of Congo red/salt mixture

另外,為了進(jìn)一步考察膜M11對(duì)染料/鹽混合體系的分離性能,選取相對(duì)分子質(zhì)量范圍為416到960的5種荷負(fù)電染料與Na2SO4配制成IC/CR/Na2SO4、AF/CR/Na2SO4、AF/DR23/Na2SO4、AF/EB/Na2SO4、DR23/EB/Na2SO4 5種三元混合體系,并測(cè)試膜M11對(duì)其分離能力,結(jié)果如表3所示.每一種染料的濃度均為0.1 g/L,溶液中Na2SO4的濃度為1 g/L,操作壓力為0.2 MPa.

從表3可以得出,該膜對(duì)染料截留率均高于93.1%,對(duì)于Na2SO4的截留率均低于25%.例如,對(duì)于相對(duì)分子質(zhì)量分別為466(IC) 和696(CR)的IC/CR/Na2SO4體系,其染料截留率分別為93.1%和100%,滲透通量為71.6 L/(m2·h).同樣,對(duì)于相對(duì)分子質(zhì)量分別為813(DR23) 和960(EB)的DR23/EB/Na2SO4體系,膜對(duì)染料截留率均為100%,但其滲透通量下降至59.5 L/(m2·h).這一現(xiàn)象可以從3個(gè)方面進(jìn)行解釋.一方面,在過(guò)濾過(guò)程中染料分子在膜表面和膜孔內(nèi)吸附造成膜污染和膜通量的下降;另一方面,由于染料分子水合作用、空間位阻效應(yīng)以及團(tuán)聚現(xiàn)象等原因,這些染料分子甚至?xí)氯た?致使?jié)B透通量下降和截留率提高;此外,過(guò)濾過(guò)程中染料在膜表面產(chǎn)生濃差極化層,導(dǎo)致膜的過(guò)濾阻力增加而降低滲透通量[20].總之,共混膜對(duì)染料/染料/鹽三元體系表現(xiàn)優(yōu)異的選擇分離性.

表3 膜M11對(duì)染料/染料/鹽三元混合液的選擇性分離性能 導(dǎo)出到EXCEL

Table 3 The selective separation of M11 for dye/dye/salt mixture solutions

混合體系 染料截留率/% Na2SO4截留率/% 滲透通量/(L·m-2·h-1 )

IC/CR/Na2SO4
RCR=100,RIC=93.1 22.4 71.6

AF/CR/Na2SO4
RCR=100,RAF=96.3 22.9 69.2

AF/DR23/Na2SO4
RDR23=99.0,RAF=96.4 23.6 63.5

AF/EB/Na2SO4
REB=100,RAF=96.8 24.2 62.3

DR23/EB/Na2SO4
REB=100,RDR23=100 25.0 59.5

2.6 運(yùn)行穩(wěn)定性

采用CR/Na2SO4混合液考察對(duì)膜M11在染料分離過(guò)程中的運(yùn)行穩(wěn)定性,結(jié)果如圖8所示.實(shí)驗(yàn)操作壓力為0.2 MPa,CR與Na2SO4的濃度分別為0.1 g/L和1 g/L.

由圖8可以發(fā)現(xiàn),隨著運(yùn)行時(shí)間從0 h增加至48 h,膜對(duì)剛果紅的截留率始終保持在100%,對(duì)Na2SO4的截留率低于25%.同時(shí),混合溶液的滲透通量從72.5 L/(m2·h)略微下降至71.3 L/(m2·h),表明膜M11對(duì)CR/Na2SO4混合液表現(xiàn)出優(yōu)異的分離選擇性和運(yùn)行穩(wěn)定性.另外,混合液的滲透通量遠(yuǎn)低于純水通量,這是因?yàn)槭窃谶\(yùn)行過(guò)程中膜表面存在的濃差極化和膜污染所致.因此,在實(shí)際的應(yīng)用中需要定期對(duì)膜進(jìn)行清洗來(lái)提高運(yùn)行效率.

圖8 PES/SPSf致密超濾膜M11處理 CR/Na2SO4混合溶液運(yùn)行穩(wěn)定性

圖8 PES/SPSf致密超濾膜M11處理 CR/Na2SO4混合溶液運(yùn)行穩(wěn)定性   下載原圖

Fig.8 The operating stability of M11 for the filtration of CR/Na2SO4 mixture solution

3 結(jié)論

以PES/SPSf為膜原料,己二酸為致孔劑,采用NIPS法成功制備出PES/SPSf致密超濾膜.研究發(fā)現(xiàn),隨著鑄膜液中己二酸含量增加,鑄膜液黏度迅速增加;較高的鑄膜液黏度大大抑制了成膜過(guò)程雙擴(kuò)散速率,膜斷面逐漸由指狀孔轉(zhuǎn)變?yōu)楹>d體結(jié)構(gòu).同時(shí),在成膜過(guò)程中,致孔劑己二酸隨著溶劑擴(kuò)散至凝固浴,使膜表面的孔隙率提高,膜收縮率和拉伸強(qiáng)度增加,純水通量增加.當(dāng)己二酸添加量為11% 時(shí),膜M11的斷面為完全的海綿體結(jié)構(gòu),該膜MWCO約為7 250,平均膜孔徑約為1.81 nm,純水通量為144 L/(m2·h)(操作壓力0.2 MPa).共混膜M11處理剛果紅與Na2SO4混合液時(shí),對(duì)剛果紅截留率保持在100%,對(duì)Na2SO4截留率<25%,表現(xiàn)出優(yōu)異的染料/鹽選擇分離性以及運(yùn)行穩(wěn)定性.另外,對(duì)于染料相對(duì)分子質(zhì)量分別為466(IC)和696(CR)的IC/CR/Na2SO4三元體系,其染料截留率分別為93.1%和100%,同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的染料/鹽選擇分離性和穩(wěn)定性.

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