论文题目：RTIPS法制备聚醚砜膜及其对自来水厂不同工艺水的过滤性能研究
摘要：膜分离技术作为一种新兴的高效分离技术已经被广泛应用于各个行业,如:生物医药行业、石油和化工行业、环境和能源行业、水处理和电子行业等,给人们带来巨大的经济效益和社会效益,具有广阔的开发和应用前景。本研究课题以聚醚砜（PES）为制膜原材料,N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）作为良溶剂,一缩二乙二醇（DEG）﹑聚乙二醇200（PEG200）、聚乙二醇400（PEG400）和聚乙二醇600（PEG600）为不良溶剂,采用逆向热致相分离法制备聚醚砜平板膜、逆向热致相分离和非溶剂致相分离耦合法制备中空纤维膜和多孔中空纤维膜,探究了成膜方法对聚醚砜平板膜、单孔中空纤维膜和多孔中空纤维膜结构及性能影响。采用扫描电镜（SEM）、能谱分析（EDS）、纯水通量、BSA截留、接触角、力学性能和应用性能等对所制备的膜进行表征。本论文主要从以下三方面开展研究工作:首先,采用聚醚砜（PES）作为制膜原材料,N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）作为极性溶剂,不同分子量的聚乙二醇（PEG）（分子量为200、400和600）和一缩二乙二醇（DEG）为非溶剂制备聚醚砜平板膜,对四个成膜体系PES/DMAc/聚乙二醇200（PEG200）,PES/DMAc/聚乙二醇400（PEG400）,PES/DMAc/聚乙二醇600（PEG600）和PES/DMAc/一缩二乙二醇（DEG）进行了探索。分析了聚乙二醇的分子量和PEG/DMAc或DEG/DMAc的质量比对铸膜液体系浊点的作用,讨论了不同凝胶浴温度下成膜机理（RTIPS机理和NIPS机理）对聚醚砜平板膜性能和结构的影响。实验结果表明:聚醚砜的分子量对铸膜液体系浊点的变化没有影响。当聚乙二醇的分子量降低时,铸膜液体系的相分离温度降低。当PEG/DMAc或DEG/DMAc的质量比降低时,铸膜液体系相分离的温度升高。当水浴温度低于铸膜液体系的浊点时,膜形成原理为非溶剂致相分离法控制,膜表面会形成一层致密皮层,而膜的断面存在大的手指状孔结构。当凝胶浴温度高于铸膜液体系的浊点时,此时膜形成机制主要由逆向热致相分离法工艺支配,膜表面形成均匀微孔,膜的横截面形成双连续结构。利用RTIPS法工艺制备的聚醚砜平板膜的渗透通量比非溶剂致相分离法制备出的膜更高,且力学性能更优,但其BSA截留率降低。MPEG200-4和MDEG2配方,凝胶浴温度为80℃时,膜的渗透性能和机械性能最优。且最佳配方平板膜的运行数据表明,分别采用杨浦水厂实训基地不同阶段的过程水（水厂进水、絮凝池出水、砂滤池出水和臭氧活性炭出水）作为平板膜的进水时,对于水中浊度和有机物具有较好的截留作用。膜出水浊度稳定在0.22±0.02NTU。其次,利用已有的第一阶段研究的RTIPS法制备聚醚砜平板膜工艺参数（即铸膜液的体系最优配方组成和膜形成的水浴温度）制备聚醚砜中空纤维膜。采用RTIPS-NIPS耦合法,利用前面已有的RTIPS法制备平板膜的工艺参数,对聚醚砜中空纤维膜的纺丝参数进一步优化,从而得到性能优越的聚醚砜中空纤维膜。两组配方为MPEG:PES/DMAc/PEG200（17.00/20.75/62.25）和MDEG:PES/DMAc/DEG（17.00/46.10/36.90）,将其加工成中空纤维膜,并和生产商生产的商业PES中空纤维膜做对比。实验通过表征中空纤维膜的通量、截留率、切割分子量、SEM和应用性能确定最佳纺膜工艺条件。实验结果表明:MPEG中空纤维膜的通量最小为222.5 L/（m~2·h）,但其BSA截留率最大为80.4%。MDEG中空纤维膜通量最大为292.8L/（m~2·h）,而BSA截留率为38.7%。调配的两组中空纤维膜通量与商业生产的PES中空纤维膜通量接近,截留效果更好。制备出的聚醚砜中空纤维膜表面有微孔存在,且分布均匀,膜的横截面结构为指状孔和双连续海绵状结构对称。中空纤维膜运行数据显示,分别采用杨浦水厂实训基地不同阶段的过程水（水厂进水、絮凝池出水、砂滤池出水和臭氧活性炭出水）作为中空纤维膜的进水时,对于水中浊度、UV254和TOC具有较好的截留作用。膜出水浊度稳定在0.20±0.01NTU。最后,又采用聚醚砜（PES）作为制备多孔中空纤维膜的原材料,N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）作为良溶剂,聚乙二醇200（PEG200）作为非溶剂,采用RTIPS-NIPS耦合法,采用多孔纺丝喷头制备PES多孔中空纤维膜,研究其结构和应用性能。结果显示:制备出的多孔中空纤维膜通量明显比单孔的中空纤维膜通量大,膜的表面孔分布均匀,截面为指状孔和海绵状结构共存。中空纤维膜运行数据显示,分别采用杨浦水厂实训基地不同阶段的过程水（水厂进水、絮凝池出水、砂滤池出水和臭氧活性炭出水）作为中空纤维膜的进水时,膜出水浊度稳定,为0.21±0.01NTU,且对膜进水中的有机物具有良好的去除效果。膜的长期运行通量稳定性显示,随着测试时间的延长,膜丝运行通量会有明显衰减。当运行40个小时时,膜的通量衰减率仅为60.9%。
关键词：逆向热致相分离;聚醚砜;平板膜;中空纤维膜;应用
学科专业：工程硕士（专业学位）
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 膜分离技术介绍
1.1.1 膜分离技术发展历程
1.1.2 膜的分类
1.2 膜的制备方法
1.2.1 烧结法
1.2.2 拉伸成孔法
1.2.3 径迹蚀刻法
1.2.4 相转化法
1.3 膜材料
1.4 致相分离法
1.4.1 非溶剂致相分离法(NIPS)
1.4.2 热致相分离法(TIPS)
1.4.3 逆向热致相分离法(RTIPS)
1.5 膜污染与膜改性
1.5.1 膜污染
1.5.2 膜的亲水性改性
1.6 本课题的意义和研究内容
第二章 RTIPS法制备PES/溶剂/非溶剂体系膜性能研究
2.1 前言
2.2 实验部分
2.2.1 实验材料和试剂
2.2.2 实验设备和仪器
2.2.3 铸膜液的制备
2.2.4 聚醚砜平板膜的制备
2.2.5 铸膜液的表征
2.2.6 聚醚砜平板膜的表征
2.3 结果与讨论
2.3.1 铸膜液的浊点变化
2.3.3 膜结构
2.3.4 渗透性能
2.3.5 机械性能
2.3.6 孔径和孔隙率
2.3.7 膜的接触角
2.3.8 平板膜的应用性能
2.4 本章总结
第三章 PES中空纤维膜的制备与膜性能研究
3.1 前言
3.2 实验部分
3.2.1 实验材料和药品
3.2.2 实验设备和仪器
3.2.3 铸膜液的制备
3.2.4 PES中空纤维膜的制备
3.2.5 PES中空纤维膜的表征
3.3 结果和讨论
3.3.1 膜结构
3.3.2 EDS
3.3.3 中空纤维膜内外径
3.3.4 渗透性能
3.3.5 抗污染性能
3.3.6 应用性能
3.4 本章总结
第四章 PES多孔中空纤维膜的制备与性能表征
4.1 前言
4.2 实验部分
4.2.1 实验材料和药品
4.2.2 实验设备和仪器
4.2.3 铸膜液的制备
4.2.4 PES多孔中空纤维膜的制备
4.2.5 PES中空纤维膜的表征
4.3 结果和讨论
4.3.1 膜结构
4.3.2 膜的应用性能
4.4 本章总结
第五章 结论和展望
5.1 全文总结
5.2 展望
参考文献
致谢