摘要
纳滤膜面临的一个关键问题是渗透性与选择性之间的Trade-off效应。如何在保证纳滤膜选择性的前提下提高其渗透性是纳滤膜制备领域的重要课题。在众多纳滤膜制备方法中，界面聚合法凭借其便捷、高效和稳定的技术特征成为了纳滤膜制备的主流技术。然而，近些年有关界面聚合法制备的高性能纳滤膜往往选用了昂贵且有潜在危害性的纳米材料或涉及繁琐的制备方法，这严重限制其实际量产与推广应用。深入探究界面聚合法制备纳滤膜的内在机理，并在此基础上实现高性能纳滤膜的可控制备具有重要现实意义。为此，本课题在采用传统哌嗪（PIP）和均苯三甲酰氯（TMC）为成膜单体的基础上，系统研究了单体浓度和基膜性质对界面聚合反应中形成的聚酰胺薄膜以及最终所得复合纳滤膜的结构与性能影响，揭示了二者的内在构效关系，并以此为理论基础制备了可面向重金属离子去除的高通量纳滤膜，有望为界面聚合法制备纳滤膜以及其实际应用提供技术指导。 选定15种两相单体浓度和5款基膜进行纳滤膜制备。结果表明，高TMC浓度和低PIP浓度有助于制备更薄的聚酰胺膜，0.05w/v%的PIP和0.1w/v%的TMC制备的聚酰胺膜厚度最小为8.8nm，其对应的纳滤膜具有超高的纯水通量55.1Lm-2h-1bar-1，但Na2SO4截留仅为92%；基膜具有优异亲水性是聚合反应稳定进行的必要条件，基膜表面光滑、孔径适中也有助于聚合反应稳定发生。此外，基膜水通量越高，应用其制备的复合纳滤膜水通量也越高；通过优选单体浓度为PIP:0.05%-TMC:0.1%和优选基膜为PESH-50kDa制备的NF-50kDa膜具有46.6Lm-2h-1bar-1的超高通量和98.1％的Na2SO4高效截留，其性能优于绝大部分文献报道的纳滤膜的性能。 TMC分子中酰氯基团水解生成羧基是导致聚酰胺膜为电负性且二价阳离子截留能力差的主要原因。为制备出可面向重金属离子去除的高性能纳滤膜，我们将TMC浓度从0.12w/v%降低至0.0075w/v%以期实现减弱聚酰胺膜电负性的目的，并选定了PIP浓度为0.6w/v%来保证聚酰胺膜具有一定的厚度。对调控TMC浓度制备的所有纳滤膜的理化性质进行了全面表征，包括表面形貌、厚度、元素组成、电荷性和接触角，系统探究了TMC浓度对聚酰胺膜理化性质的影响。最终优化制备的NF-0.03膜具有以下特征：截留分子量、孔半径最小（174Da、0.305nm），弱负电性（IEP=5.1），高MgCl2截留率（98.6%），高纯水通量14.6Lm?2h?1bar?1。 应用NF-0.03膜对四种重金属离子（Ni2+、Zn2+、Cu2+、Cd2+）进行去除实验，系统的考察了重金属离子性质、浓度、运行压力、膜面错流和混合离子等因素的变化对NF-0.03膜分离性能的影响，对分离机理做出了合理解释。NF-0.03膜对Ni2+、Zn2+、Cu2+具有98%以上的高效截留，对Cd2+的截留也可保持在92.7%以上。NF-0.03渗透性能优异，膜通量几乎超过所有文献报道的面向重金属离子去除制备的纳滤膜。
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