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新型高通量的磺化聚芳醚砜-聚酰胺复合膜的制备和研究
马友美,李胜海,李磊, 陈光, 张所波*
(中科院长春应用化学研究所 高分子物理与化学国家重点实验室 长春130022)
在目前水处理技术中,反渗透以其无相变、低能耗、高效率、低成本等优点被广泛应用
于海水淡化、苦咸水脱盐、饮用水和超纯水制备等方面。反渗透复合膜是反渗透技术的核心
部件,它由起支撑作用的多孔支撑层和起分离作用的致密分离层组成。目前商业上通用的反
渗透复合膜是由间苯二胺和均苯三酰氯通过界面缩聚制备[1]。
高通量,高脱盐率是反渗透复合膜追求的目标。大量文献报道表明:通过活性层改性,
可以提高膜的水通量,但是由于引入了大侧基或柔性主链,使复合膜的脱盐率大幅度下降。
文献报道的研究结果,以及溶剂在膜内传输机理的研究表明,聚合物材料的强亲水性和主链
的刚性有助于提高复合膜的水通量和脱盐率[2]。
本文中,我们合成了水溶性、刚性主链的含胺基的磺化聚芳醚砜(SPES-NH2)高分子材料,
并用它和间苯二胺(MPDA)混合与均苯三酰氯(TMC)进行界面缩聚制备反渗透复合膜。结果表
明,磺化聚芳醚砜(SPES-NH2)的引入很大程度提高了膜的水通量,与同等条件下制备的间苯
二胺/均苯三酰氯复合膜相比较,水通量提高了一倍多,达到 51.2 L/m2h。为了更好的说明
膜的分离性能和结构之间的关系,我们还分别利用红外衰减全反射(ATR-IR),扫描电子显微
镜(SEM)对活性层成分和膜的表面形态进行了表征。
1 实验材料和方法
1.1 材料
磺化聚芳醚砜(SPES-NH2)由实验室制备,纯度高于 99%(图 1);间苯二胺(MPDA)购于
上海安诺芳胺化学品有限公司,纯度高于 99%;均苯三酰氯自制,纯度高于 99%。实验用水
为实验室自制二次去离子水。
1.2 反渗透复合膜的制备和性能测试
用 Udel P-3500 的聚砜制得截留分子量(MWCO)为 2 万的支撑膜。将湿态的聚砜支撑膜
单面浸入 1%( w/v) 的多元胺水溶液中(多元胺为不同比例的 SPES-NH2 和 MPDA 的混合物),
沥干表面后,与浓度为 1%( w/v) 的均苯三酰氯环己烷溶液单面进行界面缩聚反应 4 分钟,
随后进行热处理,漂洗得到反渗透复合膜。
复合膜的测试条件为:氯化钠浓度为 2000ppm,操作压力为 2.0MPa,操作温度为 25℃。
图 1 SPES-NH 的合成路线图
2
2 实验结果与讨论
2.1 SPES-NH 的引入对膜性能的影响
2
首先我们参照有关文献[3]确定了一些制膜条件,重点讨论水相中多元胺溶液的组成对
膜性能的影响。具体条件为:水相中多元胺总浓度为 1 % (w/v);TMC 浓度为 1 %(w/v);界
面聚合时间为 4min, 聚合物粘度 0.78dl/g。结果如图 2 所示,当 MPDA/SPES-NH2 = 2(摩尔
比)时,复合膜表现出最好的分离性能,同时具备了较高的盐截留率和水通量。
我们还考察了当水相中 MPDA/SPES-NH = 2 时,磺化聚芳醚砜(SPES-NH )的分子量对复
2 2
合膜性能的影响。结果如图 3 所示,随着聚合物 SPES-NH2 粘度的增大,复合膜的脱盐率的
得到了很大程度的提高;而对于复合膜的水通量却没有明显的影响。从整体趋势来看,我们
可以作出判断:聚合物的分子量(由粘度来体现)越大,越有利于提高膜的脱盐率,但对水通
量来说却影响不大。
图2 胺液组成对膜性能的影响 图 3 聚合物黏度对膜性能的影响
2.2 膜表面的化学组成
为了证明在界面缩聚的过程中,聚合物 SPES-NH2 引入不是简单的物理共混,而是通过
胺基和酰氯的化学反应形成交联聚合物,我们首先制备了在无聚砜支撑层情况下利用界面聚
合方法得到的活性层和将复合膜的底膜用 DMF溶剂溶解去除后剩余的
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