Page 56 - 《精细化工》2020年第3期
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·474· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 37 卷
3.0、5.0、15.0 和 30.0 min 的过滤液进行紫外测试, (CIPS)法处理复合膜过程中,当体系温度淬冷到
CA/CS 复合膜对 4 种染料的平衡吸附量按下式计算: 冰点以下时,CS 层溶液中水分子会结晶,从而导致
分相,说明 CS 层膜的孔隙结构由水的结晶行为决
q e 0 e V (3)
m 定。另因冷冻过程由表层逐层向内冻结,因此会形
成独特的片层结构。由图 1e 可看出,随着冷冻温度
q 0 t V (4)
t
m 的降低,膜表层出现明显的鳞片状结构,膜表面变
式中:ρ 0 为溶液的初始质量浓度,mg/L;ρ e 和 ρ t 分别为 得粗糙不平整。从图 1f 可看出,CS 层与层间孔隙
平衡溶液和 t 时溶液质量浓度,mg/L;V 为溶液体 结构明显较大,但单层厚度仍较厚,约为 8 μm,说
积,L;m 为 CA/CS 复合膜的质量,g;q e 和 q t 分别 明此时成膜固化温度还相对较高,降温速率慢,水
为平衡吸附量和 t 时吸附量,mg/g。 分子的结晶速度较慢,高分子链被冻结也就较慢,
分相较完全,水分子形成片晶较大,从而导致片层
2 结果与讨论
之间空隙较大。当直接通过液氮快速冷冻成膜时(图
2.1 不同成膜工艺对膜形貌的影响 1g),膜表面出现较多微米级孔洞,约为 3 μm,有
不同成膜工艺膜形貌 FESEM 如图 1 所示。 利于提高复合膜的水通量,而同时图 1h 中呈现较薄
层状叠加结构,单层厚度仅为 1 μm,层间距也明显
减小,说明利用液氮直接进行冷冻时,固化温度低,
降温速率快,水分子被迅速冻结,从而导致分相不
完全,使得膜达到三维多孔片层堆积的效果。
2.2 CA/CS 复合膜过滤性能研究
2.2.1 纯水通量与截留率测试
不同制备工艺下膜的纯水通量及对酸性蓝的截
留率如图 2 所示。由图 2 可知,CA 纤维膜(FM-1)
的纯水通量很大,可作为理想的支撑层,但对酸性蓝
的截留率很低。从 FM-2~FM-4 可看出,随着冷冻温
度的降低,CA/CS 复合膜的纯水通量及截留率均呈快
速增长趋势,FM-4 在保持较高截留率的同时提高了纯
2
4
水通量,其值为 1.01×10 L/(m ·h)。这是由于酸性蓝
–
染料中含有大量的磺酸基(—SO 3 )通过与 CS 的静电
吸附作用达到截留效果,FM-4 复合膜内部呈现三维多
孔片层结构,孔隙率变得更高,使得在截留吸附过程
中,膜与过滤液的接触更充分。此外,在膜进行染
料过滤处理过程中,膜内部的层次结构较多,滤液可
以与复合在膜内部的活性炭有更多的接触机会,从而
进一步提高了染料的截留率。综合考虑截留率与纯水通
量提高的效果,可初步选择 FM-4 为最佳制膜工艺。
a、c、e、g—FM-1~FM-4 膜的表面图;b、d、f、h—截面图
图 1 不同成膜工艺膜形貌 FESEM 照片
Fig. 1 FESEM images of different membranes
由图 1a 可知,CA 静电纺纤维直径平均为 0.5 μm,
纤维膜孔隙率高,适合用于复合膜的基底层。图 1b
为其纤维膜截面图,呈现疏松层状结构,厚度为
60 μm。由 FESEM 图可知,不同干燥方式(表 1)
对膜的形貌影响较大。由图 1c 可看出,CS 层膜表
面出现龟裂现象,图 1d 截面图中可看出,CS 层间 图 2 不同制备工艺下所成膜的纯水通量及对酸性蓝的截留率
出现片层堆积结构,说明利用冷冻诱导相分离 Fig. 2 Pure water flux and rejection of different membranes