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有否无纺布支撑对不同分子量聚醚砜超滤膜性能的影响
作者:管理员    发布于:2016-04-18 13:58:35    文字:【】【】【

  降。

  上述研究采用的是无支撑体的平板超滤膜。而在实际应用过程中,为了增强平板超滤膜的机械强度,通常需要采用无纺布作为支撑材料来制备超滤膜。本课题组在超滤膜研发应用中发现:支撑材料的选择会对超滤膜的性能产生不可忽视的影响。尽管支撑材料的作用如此重要,但到目前为止,公开发表的关于支撑材料对超滤膜结构和性能影响的研究报道却并不多见。Munari等研究了铸膜液组成对PVDF(聚偏氟乙烯)、PVDFFS(磺化聚偏氟乙烯)、PS(聚砜)超滤膜性能的影响,发现无纺布支撑的超滤膜性能与无支撑超滤膜性能大不相同,前者由于张力的作用而导致更多的膜孔;Bottino等W在研究二氧化硅微粒与PVDF复合超滤膜时发现,与无支撑超滤膜相比,无纺布支撑的超滤膜不仅水通量较高,截留率也有所改善;Lohokare等研究了多种支撑材料对PAN(聚丙稀腈)超滤膜性能的影响,发现支撑材料能在很大程度上影响超滤膜的性能,选择合适的支撑材料是获得特定性能超滤膜的重要因素基金项目:国家自然科学基金(20776147);上海科委项目(08231200300)体系制备有无纺布支撑和无支撑的不同分子量PES超滤膜。通过对超滤膜过滤性能和抗压性能的测定研究支撑材料对不同分子量PES超滤膜性能的影响。

  连续式错流超滤评价系统装置示意图错流装置进料压力为。

  1MPa,有效膜面积为34cm2.纯水通量测定在系统运行20min后开始测定。介质通量和截留率的测定采用浓度为。5g/L的PEG20000水溶液。实验步骤同上。纯水通量和介质通量按式(1)计算。

  h);Q为渗透液体积,L;AT为采样时间,h;A为有效膜面积,m2. 1.7耐压强度测试利用爆破强度测试仪研究超滤膜的耐压强度。

  爆破强度测定装置见。PES超滤膜测试面积为8.0cm2.测试步骤如下:通过摇柄缓慢增加施加在超滤膜上的压力,直到膜破裂为止,记录爆破压力。

  爆破压力越高,表明膜的耐压强度越大。

  2结果2.1PES分子量为本文选用的三种PES样品的GFC流出曲线。据此计算得到的PES重均分子量、数均分子量以及分布指数(Mw/Mn)列于表1.表1PES样品的数均、重均分子量及分子量分布由表1可见,三种PES的平均分子量由大到小随分子量增大而增大,但都小于2.5.为讨论方便,分别用PES147、PES70、PES49 2.2热力学相图)体系的双节线。从中可以发现,PES分子量越大,则相应PES/NMP/非溶剂体系的双节线越靠近PES~NMP轴。这表明,PES分子量越大,其铸膜液的热力学稳定性越差。

  2.3铸膜液粘度对于本文所用的铸膜液体系,其旋转黏度并不随剪切速率变化而变化,呈现出牛顿流体的特征M.表2列出了不同配方的PES铸膜液黏度。由此表可2.4膜过滤性能为了研究有无支撑对不同分子量PES超滤膜过滤性能的影响,设计了两组铸膜液配方制备超滤膜组配方固定添加剂PVPK30浓度为5,PES质量分数分别采用12、18和22,第二组配方固定PES质量分数为20,添加剂PVPK30质量分数分别采用1、5和10.是采用组配方制备的超滤膜过滤性能结果由可见,无论超滤膜是否有支撑,只要铸膜液配方相同,超滤膜的纯水通量和介质通量分子量都随PES分子量增大而增加,对PEG20000的截留率则PES分子量增大而减小。比较PES分子量相同但PES浓度不同的超滤膜过滤性能可以发现,随PES浓度增加,超滤膜的纯水通量和介质通量增加,对PEG20000的截留率降低。这与相关的报道是相符的。

  膜液配方相同时,与无支撑超滤膜相比,有支撑超滤膜的纯水通量和介质通量较高,对PEG20000的截/褂龅添加剂浓度相同PES浓度不同时,有无支撑对不同分子量PES超滤膜过滤性能的影响过滤性能联系在一起比较可以发现,铸膜液黏度较大时,无纺布支撑对超滤膜过滤通量的改善效果比较明显。

  是采用第二组配方制备的超滤膜过滤性能结果。由可见,无论超滤膜是否有支撑,只要铸膜液配方相同,超滤膜过滤性能随PES分子量变化的规律与相同。比较PES分子量相同但添加剂浓度不同的超滤膜过滤性能可以发现,随PVPK30浓度增加,超滤膜的纯水通量和介质通量增加,对PEG20000的截留率降低比较a和c、b和d可以发现,有支撑超滤膜的纯水通量和介质通量明显高于相应配方的无支撑膜,对PEG20000的截留率则小于相应配方的无支撑膜。这与由得到的规律是一致的。

  2.5膜抗压性能在实际应用中,超滤膜不仅应具有较好的过滤性能,还应具有较好的抗压性能,即较高的耐压强度。因此,耐压强度也是衡量超滤膜质量的重要指标。本文通过爆破强度来表征超滤膜的耐压强度。

  是采用组配方制备的超滤膜的爆破强度测定结果。由可见,当铸膜液配方相同时,无论超滤膜是否有支撑,较大的PES分子量有利于增加超滤膜的耐压强度。比较PES分子量相同但PES浓度不同的超滤膜可以发现,超滤膜的耐压强度随PES浓度增加而增加。

  比较a和b可以发现,无纺布支撑可以显著地提高超滤膜的耐压强度,其对改善PES超滤膜耐压强度的贡献远大于本文中的其它影响因素,如PES分子量、PES浓度等。

  图S是采用第二组配方制备的超滤膜的爆破强度测定结果。由可见,超滤膜耐压强度随PES分子量变化的规律与相同。当PES分子量相同但添加剂浓度不同时,添加剂浓度越高,超滤膜耐压强度越低。

  比较a和b可以发现,与无支撑的超滤膜相比,无纺布支撑可以将超滤膜的耐压强度提高数倍。这与由所得到的规律是一致的。

  PES浓度相同添加剂浓度不同时,有无支撑对不同分子量PES超滤膜过滤性能的影响添加剂浓度相同PES浓度不同时,有无支撑对不同分子量PES超滤膜爆破强度的影响3讨论3.1膜过滤性能到目前为止,已获普遍接受的观点认为,超滤膜过滤性能主要决定于其皮层膜孔结构。一般来说,超滤膜皮层的形成可以描述如下:一且均相的铸膜液浸入非溶剂凝胶浴(水是常用的非溶剂),快速的溶剂/非溶剂交换会导致铸膜液中的聚合物立刻沉淀出来,即发生了相转变。该相变初发生在铸膜液与凝胶浴相接触的界面。由于相变速度非常快,导致相当致密的皮层在界面处形成。超滤膜的皮层结构通常呈球形堆积或结核状,其形成主要遵从旋Mw/l3⑷无支撑膜PES浓度相同添加剂浓度不同时,有无支撑对不同分子量PES超滤膜爆破强度的影响用。当溶剂/非溶剂交换速率较快时,聚合物聚集体固化迅速,从而形成堆积较为松散的结构。这种结构的超滤膜表现为膜孔较大、孔道比较开放。而当溶剂/非溶剂交换速率较慢时,则容易形成比较致密的结构。这种结构的超滤膜通常膜孔较小。由于孔道比较狭窄,严重时甚至会导致闭孔。另外,聚合物聚集体的大小也被认为会在一定程度上影响超滤膜的孔径大小。按照球形堆积模型,聚合物聚集体尺寸增大意味着堆积球体积增大。堆积球体积越大,则球间空隙越大,即膜孔越大。

  本文涉及的几个因素,如PES分子量、PES浓度、添加剂浓度,对超滤膜性能的影响可以用上述机理进行解释。PES分子量增大、PES浓度减小、添加剂浓度增加都会导致铸膜液热力学稳定性降低,加快溶剂/非溶剂交换。换句话说,上述因素有利于形成较大和较多的膜孔。另外,PES分子量增大、添加剂浓度增加还会导致聚合物聚集体尺寸变大,这也有利于形成较大的膜孔。但是,与PES浓度减小导致铸膜液体系的黏度减小所不同的是,当PES分子量和添加剂浓度增加时,铸膜液体系的黏度增大。较大的粘度会导致溶剂/非溶剂交换速率降低,不利于较大膜孔的形成。从上述分析可见,超滤膜膜孔结构的形成要综合考虑热力学因素、动力学因素以及聚合物聚集体尺寸因素的影响。膜孔的大小是上述三种因素共同作用的结果。

  PES分子量和添加剂浓度增加时,超滤膜的过滤通量增加、截留率降低,表明超滤膜膜孔孔径增大。说明热力学因素和聚合物聚集体尺寸因素超过了铸膜液体系粘度对超滤膜膜孔的影响。而PES浓度减小时,热力学因素和动力学因素都有利于较大膜孔的形成,这与相应的超滤实验结果是一致的。

  无纺布支撑对超滤膜过滤性能的影响可能与其能阻止超滤膜在形成过程中的收缩相关。刮制无支撑超滤膜时通常会遇到如下情景,经过相转变过程形成的超滤膜厚度小于刮膜厚度,说明超滤膜在形成过程中发生了收缩。而当刮膜是在无纺布上进行时,由于无纺布对铸膜液有较强的吸附作用,因此能在一定程度上阻止超滤膜在形成过程中的收缩,导致形成的超滤膜膜孔增加、膜孔变大,进而导致超滤膜过滤通量增大、截留率减小。

  3.2抗压性能不考虑支撑的影垧时,超滤膜的耐压强度主要与膜材料本身的力学强度以及超滤膜的空隙率相关。对于本文研究的对象而言,PES分子量越大,则其力学强度越大。而且较大分子量PES制备的超滤膜空隙率较小。这些都有利于超滤膜耐压强度增大。增加PES浓度或减小添加剂浓度都会导致超滤膜空隙率降低,从而增加超滤膜耐压强度。

  无纺布支撑的超滤膜耐压强度增大的主要原因可能是减小了超滤膜受压面积,其效果也许有点类似给超滤膜添加了“加强筋4结论在本文的研究条件下,无纺布支撑不改变超滤膜过滤性能和抗压性能随PES分子量和铸膜液组成变化而变化的规律。

  随PES分子量增大,超滤膜过滤通量增加、截留率减小,抗压强度增加。

  随PES浓度增加,超滤膜过滤通量降低、截留率增大,抗压强度增加。

  随添加剂PVP浓度增加,超滤膜过滤通量增加、截留率减小,抗压强度减小。

  但是,与无支撑超滤膜相比,无纺布支撑的超滤膜过滤通量明显提高、截留率有所降低,抗压强度明显增大。

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