摘要
随着全球人口增长及工业发展，生活污水及工业废水排放量的增多严重危害水环境健康，加剧水资源短缺危机，并危害人类社会的健康发展，因此针对污/废水处理的分离纯化技术逐渐受到广泛关注。相较于精馏、萃取、结晶等传统分离工艺，膜分离技术具有分离精度高、能耗低、环境友好等优点。高分子液体分离膜作为膜分离技术的研究热点，其在实际分离应用中常面临选择-渗透性低、膜污染等问题。本论文首次以双酚A型聚芳醚腈PEN(BPA)为聚合物膜基质材料，系统研究了制备具有高效分离性能PEN(BPA)超滤膜所对应的铸膜液组成；再利用物理共混和本体改性手段改善PEN超滤膜的抗污染性能；最后利用材料强电负性特性制备出具有优异染料/盐混合液分离性能的羧基化聚芳醚腈(PEN-COOH)紧致超滤膜，其在染料废水分离中具有广阔的应用前景。本论文的主要工作如下： 1.以PEN(BPA)作为聚合物膜基质材料，本章系统研究了：溶剂选择、聚合物浓度、添加剂种类及含量等铸膜液组成条件对PEN超滤膜形貌结构及分离性能的影响，为实现PEN多孔膜结构的可控制备提供理论指导。上述系统研究表明：首先，以聚合物/溶剂体系制备的PEN膜渗透性差，无明显分离性能；其次，聚合物浓度提高增大了所制备PEN膜致密程度，膜纯水(渗透)通量与BSA截留率间表现出明显Trade-off效应；再者，亲水性PEG、PVP的添加均能有效改善PEN膜渗透性，PEN/PEG膜的纯水(渗透)通量随添加PEG分子量的增大而显著提高，BSA截留率均在98%以上；PEN/PVP膜的纯水(渗透)通量则随添加PVP分子量的增大呈先增后减变化趋势；最后，添加剂PEG10000含量越高，所制备PEN膜纯水(渗透)通量先增后减，但对BSA截留率无明显影响。以上研究表明，通过优化PEN铸膜液组成实现了具有优异分离性能PEN超滤膜的成功制备；其纯水及渗透通量分别为524.6L·m-2·h-1、184.5L·m-2·h-1，BSA截留率为99.2%。然而，PEN膜容易受膜污染影响导致膜性能的降低。 2.为提高PEN膜的抗污染性能，本章采用物理共混法向PEN膜基质中掺杂两性离子化二氧化硅(SiO2)纳米粒子，所制备PEN纳米复合膜具有增强的渗透性及抗污染性能；并研究了改性粒子掺杂量对PEN纳米复合膜分离性能的影响。首先，利用硅烷偶联剂(KH560)的两亲性将两性离子材料赖氨酸(Lysine)接枝于SiO2纳米粒子表面。其改性效果包括：减弱粒子团聚、改善有机-无机相间相容性、增强粒子亲水性。在成膜过程中，亲水性纳米粒子将沿着溶剂外扩散方向逐渐向聚合物膜表面迁移、富集，以改善复合膜表面亲水性。具体表现为：改性粒子掺杂量为0.5wt％时，所制备PEN-0.5膜纯水通量：507.2L·m-2·h-1、渗透通量：247.1L·m-2·h-1、BSA截留率：97.4%。同时BSA静态吸附容量降低至72.9μg·cm-2，且通量恢复率提高至85.3％，说明PEN-0.5膜的抗污染性能显著提高。然而，有机-无机复合膜在长期分离过程中，容易因两相间较弱相互作用而导致无机填料从膜基质中洗脱，并造成膜性能的降低。 3.为制备具有抗污持久性的PEN超滤膜，本工作采用本体改性手段向PEN分子链骨架中引入酚酞啉(PPL)组分，合成出具有更强亲水性的酚酞啉型聚芳醚腈共聚物(PEN-COOHs)，并制备PEN-COOHs超滤膜。研究结果表明：酚酞啉组分投料比越高，所制备PEN-COOHs分子量越低，对应铸膜液体系的热力学稳定性增强；所制备PEN-COOHs膜表面致密程度增大、孔隙率降低；纯水(渗透)通量、水合渗透性系数均逐步降低，BSA截留率略有提高；BSA静态吸附容量降低及相关抗污染性能参数中Rt减小、FRR提高，均能说明PEN-COOHs膜抗污染性能的增强。PEN-COOH-60%膜性能最佳，表现为纯水通量：351.7L·m-2·h-1、渗透通量：160.1L·m-2·h-1、BSA截留率：99.3%；其FRR为92.3%，且在三个周期的超滤循环实验中均能维持稳定FRR，说明PEN-COOH-60%膜具有优异的抗污持久性。 4.针对印染废水处理的需求，本章所制备的PEN-COOH紧致超滤膜具有染料/盐混合液的高效分离性能。其表面平均孔径：7.7nm，截留分子量：31000Da，水合渗透性系数：2.9L·m-2·h-1·bar-1，纯水通量高达401.2L·m-2·h-1；对负电性染料(CR、CBB、EB)完全截留效，同时对无机盐(NaCl、Na2SO4)去除率不超过10%。以刚果红为模型污染物，PEN-COOH膜FRR高达89.3%，表现出优异的抗染料污染性能；且随着超滤循环实验次数的增加，膜FRR基本稳定，说明PEN-COOH紧致超滤膜具有抗污持久性。
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