摘要
纳滤（NF）技术是一种新型的膜分离技术，具有水渗透率高，运行压力小，操作成本低的特点，在海水淡化、饮用水处理、医药、化工、食品等行业有广泛的应用。目前，市场上的商品纳滤膜主要是卷式膜。商品中空纤维纳滤膜还较少，这主要是由于中空纤维膜的纳滤层构建较为困难，其工业化程度还较低。但是，中空纤维纳滤膜具有抗压性好、自支撑、单位体积装填密度高、组件制备简单、易于维护等优点。因此，开发高性能的中空纤维纳滤膜有非常重要的意义。 本研究以聚砜（PSf）中空纤维超滤膜为基膜，氧化石墨烯（GO）纳米片为中间层，哌嗪（PIP）为水相单体，均苯三甲酰氯（TMC）为油相单体，十二烷基硫酸钠（SDS）和三乙胺（TEA）为水相添加剂，通过界面聚合的方法制备了中空纤维薄膜纳米复合（TFN）纳滤膜。 首先采用干喷-湿纺的方法纺制了PSf中空纤维超滤基膜，详细考察了芯液流速和空气间隙距离对膜形貌和分离性能的影响，确定了最佳纺丝工艺参数：芯液流速为0.89mLmin?1，空气间隙距离为6cm。最佳纺丝工艺参数下制备的超滤基膜的纯水渗透率（PWP）为755.3Lm?2h?1MPa?1，对分子量67000Da的牛血清蛋白（BSA）的截留率为91.02%。 然后，以优化的PSf中空纤维超滤膜为基膜，采用界面聚合的方式制备了中空纤维薄膜复合（TFC）纳滤膜。考察了PIP浓度、水相添加剂种类和热处理时间对纳滤膜形态结构和分离性能的影响，得到了最优的界面聚合条件：PIP浓度为0.75wt%，0.10wt%的SDS和2.0wt%的TEA为水相添加剂，热处理时间为5min。该条件下制备的纳滤膜对2000mgL?1的Na2SO4水溶液的水渗透率为53.59Lm?2h?1MPa?1，盐截留率为95.94%。 在此基础上，将GO纳米片通过过滤的方式固载到中空纤维超滤基膜外表面，再通过界面聚合的方式形成了聚酰胺皮层。考察了不同GO固载量对TFN膜分离性能的影响，得到最佳的GO固载量为20.0mgm?2。在此最佳GO固载量下制备的TFN-20膜对2000mgL?1的Na2SO4水溶液的水渗透率为83.95Lm?2amp;nbsp;h?1MPa?1，盐截留率为96.08%。与无GO中间层的TFC膜相比，TFN-20膜的水渗透率提高了56%，而盐截留率几乎不变。 红外（FTIR）分析结果表明，所有的复合纳滤膜都形成了聚酰胺皮层，SDS和TEA的加入促进了界面聚合反应的进行；GO中间层的引入进一步增强了酰胺键的峰强度，这也反过来说明了GO成功地引入到膜中。扫描电镜（SEM）分析结果表明，无水相添加剂时制备的纳滤膜表面有结节状突起，这是典型的聚（哌嗪）酰胺皮层的特征。SDS的加入使得纳滤膜表面变得更加均匀，而TEA的加入对纳滤膜表面形貌没有明显的影响。SDS和TEA同时加入时的纳滤膜表面形貌与只加SDS时相似。GO中间层的引入，降低了纳滤膜的皮层厚度。在最佳GO固载量下，皮层的厚度最低，为87.0nm；与无中间层的TFC膜相比，皮层厚度下降了35%。从原子力显微镜（AFM）图中可以看出，GO中间层的引入虽然提高了纳滤膜的表面粗糙度，但是仍然维持在一个较低的水平，在30.0mgm?2的GO固载量下粗糙度最低，为8.0nm。 GO中间层的引入增强了膜的抗压实能力。最优条件下制备的TFN-20膜对1000~5000mgL?1的Na2SO4水溶液的盐截留率都在95%以上，即使在5000mgL?1进料的浓度下，膜的水渗透率仍有54.0Lm?2h?1MPa?1。TFN-20膜显著提高了不同盐溶液的水渗透率，而盐截留率几乎没有变化。在染料溶液的过滤实验中，TFN-20膜对不同分子量的染料分子拥有优异的截留性能，对最小分子量的染料（臧红T，350Da）仍然具有接近93%的截留率。TFN-20膜在120h的长期运行实验中，对Na2SO4水溶液的分离性能保持稳定。而且，TFN-20膜的耐氯、耐污染和热稳定性也相当优异。 GO中间层的引入提高了中空纤维纳滤膜的分离性能和稳定性，使得该膜在海水淡化、饮用水处理、纺织印染废水处理及医药、食品等领域有很大的应用潜力。
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