试析新型复合荷电纳滤膜镶嵌膜的制备、表征与传递机理研究

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1、Y782001郑博士学位授予单位代码一!Q堂皇学号或申请号Q!堑密级——堂J论文论文题目：新型复合荷电纳滤膜／镶嵌膜的制备、表征与传递机理研究作者姓名：张浩勤学科门类：工学专业名称：化学工艺导师姓名、职称：刘金盾教授2004年10月10日郑州大学博士学位论文新型复合荷电纳滤膜／镶嵌膜的制备、表征与传递机理研究摘要荷电镶嵌膜系由一系列规则排列的阴离子和阳离子交换基团所组成，每一基团为其反离子提供从原料液相到渗透液相的连续通道。当电解质通过该膜时，阴、阳离子分别通过其对应的交换单元。因此，荷电镶嵌膜十分有利于电解质的传递；同时，对于不带电的有机物来讲，则很

2、难渗透过膜。这一特征，即能有效传递电解质而截留低分子量的非电解质，在生化、制药、染料等工业的有机物脱盐和净化领域具有良好的工业前景。然而，作为新型、高效的荷电镶嵌膜，因其制备工艺复杂，操作条件苛刻，目前尚未进入工业化阶段。对其制备技术进一步研究和开发仍是膜科学与技术领域具有挑战性的前沿研究课题。为此，本文采用界面聚合技术制备高新型荷电镶嵌膜，重点研究界面聚合反应成膜机理，揭示膜的性能、结构与界面聚合反应条件之间的关系，建立相应的传递机理模型，为膜的制备、膜过程设计和分析提供理论基础。主要研究内容涉及以下几个方面：1．基膜制备为了制备高效复合镶嵌膜，首先

3、必须制备支撑体作基膜。基膜材料、孔结构对于后续界面聚合制各复合膜的影响很大。为此，本文对聚砜／N．甲基吡咯烷酮／聚乙烯吡咯烷酮／丙酮／水这一新体系进行了研究，详细研究、优化成膜条件，实验制备了截留分子量为80000、水通量为250～340L·m"2．h-1的聚砜超滤膜，为后期复合膜的制备奠定了良好的基础。2．荷正电纳滤膜制备采用界面聚合技术制备复合荷电镶嵌膜，关键在于如何将阴离子交换单元和阳离子交换单元引入界面聚合层。相对阳离子交换基团而言，阴离子交换基团的引入更为困难。为此，本文以聚砜超滤膜为基膜，以聚乙烯亚胺和均苯三甲酰氯为单体，首先研究了界面聚合

4、制各聚酰胺荷正电复合纳滤膜的关键技术及其膜分离性能，以期探索复合荷电镶嵌膜制备过程中成功引入阴离子交换基团的基本规律。新型复合荷电纳滤膜／镶嵌膜的制备、表征与传递机理研究在25oC、O．4MPa条件下，对该复合纳滤膜性能进行了实验表征。结果表明：所制荷正电纳滤膜对NaCI—PEG400的分离因子大于10，对MgCl2的截留率高达92％，显示出良好的脱盐性能，有望用于卤水中NaCl与MgCl2的分离。3．荷电镶嵌膜制备本文以中空纤维超滤膜为基膜，2,5．二胺基苯磺酸、聚乙烯亚胺、均苯三甲酰氯为界面聚合单体，4一氯甲基苯酰氯和三甲胺为化学修饰剂，正十二烷和

5、水分别为两相溶剂，通过界面聚合方法制备了复合荷电镶嵌膜，并对其性能进行了系列表征。结果表明：在压力为0．4MPa、温度25oC条件下，膜对NaCl和二甲酚橙(M=760．6)的分离因子大于20，膜对Na2S04和蔗糖的分离因子大于9。说明所制备的荷电镶嵌膜能够有效传递电解质而截留低分子量有机物，尤其适用于高价盐与有机物的分离。与现有的其他制膜方法相比，采用界面聚合技术制备的荷电镶嵌膜，不仅具有良好的选择性，而且具有较高的渗透通量。4．界面聚合制各复合膜过程的数学模型为了从理论上揭示复合膜制备过程的基本规律，指导界面聚合反应的成膜实践，本文基于高分子物理

6、化学、质量传递和相分离成膜理论，详细研究了复合膜制备过程中界面聚合反应成膜的机理，建立了非稳态条件下反应一扩散联合控制的数学模型，揭示了界面聚合条件(聚合反应速率常数、单体在复合层中的扩散系数、单体初始浓度等参数)与复合层厚度之间的关系，模型与实验数据吻合良好。模型中无量纲参数具有明确的物理意义，无量纲化处理使模型解析解形式更为简单、实用。通过有针对性地简化，模型可更广泛地应用于液液界面聚合反应。5．荷电镶嵌膜传递机理的数学模型本文基于非平衡热力学唯象理论，将空间荷电模型的基本原理与荷电镶嵌膜的特点相结合，创立了电解质在荷电镶嵌膜中传递的机理模型，揭示

7、了膜性能与膜结构之间的关系，模型预测值与实验结果吻合良好。对于多种电解质体系，模型可以先对每种离子进行计算，然后计算分配系数确定各种电解质的截留率，借助于现代数值方法计算模型解。关键词：复合膜，纳滤膜，荷电镶嵌膜，界面聚合，传递机理，数学模型，均匀设计II郑卅I大学博士学位论文InvestigationonthePreparation，CharacterizationandTransportMechanismoftheNovelCompositeChargedNF／MosaicMembranesAbstraetAchargedmosaicmembran

8、econsistsofasetofanionandcationexchangeelememsa