CO2响应性纳滤膜的构筑及分离性能研究.pdf

摘要

摘要

印染、化妆品等行业在生产或消耗品处理中产生了大量的染料废水，如何对染料实

现有效分离一直是大家关注的问题。纳滤膜技术以其独特的性能被广泛用于染料废水处

理体系。但传统的纳滤膜一般仅可处理单一电荷（正或负）的污染物，使其有较大的应

用局限性和较高的成本。CO2响应性材料是一种受CO2刺激后自身电荷发生翻转的“智

能”材料，将其应用于分离膜领域，可使分离膜具有分离不同电荷污染物的性能；同时，

CO2响应具有响应迅速、操作简单、无副产物的特点。因此，本文拟通过在氧化石墨烯

（GO）表面引入CO2响应聚合物，聚甲基丙烯酸二乙基氨基乙酯（PDEAEMA），在聚

偏氟乙烯（PVDF）膜表面制备具有CO2响应的GO纳滤膜。对膜的形貌、结构及CO2

响应行为等进行详细研究，系统地考察膜对阴、阳离子染料的截留性能。具体如下：

（1）利用表面原子转移自由基聚合（SI-ATRP）法来制备CO2响应纳滤膜。首先，

用改进的Hummers法制备GO，并在其表面接枝不同含量Br；再通过SI-ATRP法在GO

片层表面引发，得到聚合物PDEAEMA；最后用真空抽滤法制备GO-PDEAEMA膜，并

对膜结构与性能进行了研究。结果表明，当Br含量为16%时，制得的GO-PDEAEMA

膜的接枝率最高，膜的层间距最大，具有最显著的CO响应性，且水通量可随CO/N

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的刺激发生可逆变化，循环性能良好，纯水通量（91.95L·m-2·h-1·bar-1）高。同时与GO

膜相比，GO-PDEAEMA膜在CO/N刺激下可逆切换膜的表面电荷，可实现对不同的

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阴、阳离子染料的有效截留。初始状态下，对阳离子亚甲基蓝（MEB），甲基橙（MO），

罗丹明B（RhB）染料的截留率约在90%；通入CO2后，对阴离子甲基蓝（MB），刚果

红（RO）染料的截留率提升至95%以上。

（2）为保持纳滤膜较高截留率和水通量的同时，提高分离层的稳定性，通过石蜡预

处理策略，在PVDF一面引入具有粘附性能的PDA层，并调控其厚度及GO-PDEAEMA

的载入量。在探究PDA最佳的反应条件的基础上，调控石蜡的浸润时间，实现对PDA

层厚度的可控调节。所得的PDA分离膜对不同的油水混合物具有良好的水通量（1.23×

4-2-1-1

10L·m·h·bar）和较高的分离效率（99.7%）。通过PDA的涂覆能有效提高GO-

PDEAEMA的负载，从而进一步提升膜对染料的截留，对阳离子染料亚甲基蓝（MEB）

的截留由93.28%提升至98.12%，阴离子染料直接红-80（DR-80）的截留率由85.55%提

升至95.09%。

（3）为提高纳滤膜分离层的成膜性，以实现其后续工业化、产业化。首先，通过自

由基聚合制备了P(HEMA-co-DEAEMA)。随后将其与GO-PDEAEMA进行共混，通过

刮涂的方式在PDA改性后的PVDF基膜上成膜，对膜的结构与性能进行研究。结果表

明：当P(HEMA-co-DEAEMA)与GO-PDEAEMA的共混比例为1：1时，复合膜的综

合性能最佳。共混复合膜表现出良好的CO2响应性，对不同的阴、阳离子染料具有较高

的截留性能（97%以上）。此外，共混后可以通过刮涂法较易的将其负载在改性后的

PVDF/PDA膜上，为后续大规模的生产制备提供了可能。

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摘要

关键词：CO2响应性聚合物；氧化石墨烯；纳滤膜；表面电荷；染料截留

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