阴离子交换膜表面氧化石墨烯固定化及抗污染性能研究
文献类型:学位论文
作者 | 李玉娇 |
答辩日期 | 2021-06-01 |
文献子类 | 博士 |
授予单位 | 中国科学院过程工程研究所 |
导师 | 曹宏斌 |
关键词 | 阴离子交换膜,抗污染性能,表面改性,氧化石墨烯,固定化 |
英文摘要 | 电渗析技术用于工业废水脱盐时可以在常温常压下进行,且具有盐浓缩倍数高、浓水排放量少、脱盐率人为可调等优点,但工业废水中的有机物、高价离子等杂质易造成电渗析膜污染,尤其是工业废水中带负电的有机污染物,在电场驱动下易与阴离子交换膜中荷正电的季胺基团结合,导致严重膜污染,从而限制了电渗析技术在工业废水处理中的广泛应用。本研究利用二维片层结构的氧化石墨烯(GO)含有丰富的含氧官能团可增强膜表面亲水性和负电性、可抑制有机污染物在膜表面沉积的特点对阴离子交换膜进行表面抗污染改性。提出通过多巴胺自聚合沉积、共聚合沉积和层层界面聚合形成聚合物层封装或粘结GO片层的复合改性策略,实现了GO片层在膜表面的固定化,克服了GO与膜表面之间、GO片层之间连接不牢固、GO片层容易脱落、改性层不稳定的问题,获得牢固稳定、抗污染性能优异的GO改性阴离子交换膜,以十二烷基苯磺酸钠(SDBS)模拟废水中的有机污染物,开展抗污染性能测试实验,同时研究了改性膜的界面结构和抗污染机理。主要研究内容和结果如下:(1)通过电沉积方法将GO片层沉积到阴离子交换膜表面得到GO改性膜,考察了电沉积条件对改性膜表面性质的影响。结果表明:适当的GO浓度、电解质浓度和电流密度可增强膜表面的亲水性和电负性,但GO和电解质的浓度分别超过0.1 g/L 和0.01 M、电流密度超过5 mA/cm2时,会影响沉积层的均匀性,由此获得了最优电沉积条件。在电渗析处理含有十二烷基苯磺酸钠(SDBS)的料液时,其脱盐速率比未改性膜提高36.2%,实现了优异的抗污染效果。但电沉积GO改性膜在水溶液中易发生GO片层脱落,超纯水浸泡处理后,脱盐速率减慢,仅比未改性膜提高13.5%。(2)探究利用多巴胺的自聚合反应在电沉积GO改性膜表面形成黏附性聚多巴胺(PDA)层,提高电沉积GO改性膜的稳定性。结果表明,PDA涂层可以压紧、平滑电沉积GO层,使得膜表面粗糙度和改性层厚度均显著下降,并起到封装、固定GO片层的作用。通过工艺优化获得的GO@PDA复合改性膜抗污染性能优异,且具有良好的稳定性,当膜污染实验连续运行20小时以上依然能保持良好的抗污染性能。(3)通过聚多酚-聚多胺共沉积过程辅助GO沉积到阴膜表面,以强化GO改性层的牢固性。为增大沉积量和克服碱性条件下共沉积涂层脱落的问题,选取具有多个反应位点的单宁酸(TA)、聚乙烯亚胺(PEI)与GO组成水凝胶状态的共沉积体系,增强聚合物沉积层的交联度。研究发现,水凝胶状态下的共沉积体系可增大改性层的黏附性和沉积量。GO/TA-PEI复合改性膜的抗污染能力和耐碱稳定性显著提高,电渗析处理含有SDBS的料液时,改性膜的脱盐速率比未改性膜提高49.2%,0.1 M NaOH溶液浸泡后仍比未改性膜提高36.0%。(4)为进一步增强改性层的牢固性,开发了层层界面聚合方法快速制备聚合物-GO复合改性阴膜。将水、油相溶液交替置于膜表面,水相中的GO、单宁酸可分别与油相中的均苯三甲酰氯(TMC)在水、油相界面发生多次界面聚合反应。GO片层通过参与聚合反应形成共价结合,被更稳定地固定在膜表面。实验结果表明,层层界面聚合可以增大GO沉积量。当GOTA/TMC双相层数为1.5时,改性膜抗污染效果最优,电渗析处理含有SDBS的料液时,其脱盐速率比未改性膜提高46.4%,0.1 M NaOH溶液浸泡后仍比未改性膜提高42.7%。(5)为揭示不同改性膜的构效关系,应用电化学阻抗谱对不同改性膜进行表征,结合不同膜的性质和结构特点阐释其界面结构和抗污染机理。根据阻抗谱结果,GO@PDA改性膜显示出一个新增容抗弧形,这是由于堆叠GO片层受PDA涂层压紧作用而紧密度增大,从而与膜基质间形成新的界面。而对于电沉积GO改性膜、GOTA/PEI改性膜和GOTA/TMC改性膜没有显示出新增容抗弧形,表明无明显界面结构变化。联系抗污染性能和截面污染物分布情况,分析等效电路拟合数据解释了改性膜的抗污染机理:疏松堆叠的电沉积GO层无法阻挡污染物侵入膜基质;对于三种聚合物-GO复合改性膜,强负电性和亲水性膜表面可抵抗污染物在膜表面吸附沉积,致密聚合物层结构可阻挡污染物进入膜基质内部,有效防止严重的不可逆污染;随聚合物层共价交联度的提高,聚合物-GO复合改性膜的耐碱牢固性由弱到强依次为:GO@PDA改性膜 |
语种 | 中文 |
源URL | [http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/60787] ![]() |
推荐引用方式 GB/T 7714 | 李玉娇. 阴离子交换膜表面氧化石墨烯固定化及抗污染性能研究[D]. 中国科学院过程工程研究所. 2021. |
入库方式: OAI收割
来源:过程工程研究所
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