用于去除腐殖酸的改性超滤膜外文翻译资料

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用于去除腐殖酸的改性超滤膜

摘要

聚醚砜（PES）超滤膜是通过浸渍沉淀诱导的相转化制备的，采用不同浓度的两种亲水单体，即3,5-二氨基苯甲酸（DBA）和没食子酸（GA），这里我们报告这两种单体作为浇铸溶液中的添加剂对膜的形态，性能和防污性能的影响。膜的特征具体表现在对纯水通量渗透程度，腐殖酸（HA）分离程度以及膜本身的结构和形态。实验结果表明，各单体的不同组分比例影响了混合膜的结构性能和表面粗糙度。测量平衡水含量（EWC）和水接触角，以评估改性膜的亲水性变化。趋势表明，这两种添加剂由于其强亲水基团而增加了膜的亲水性。通过在铸塑溶液中添加DBA和GA，PES膜除去的HA能力显着增加。此外，通过在PES浇铸溶液中添加DBA和GA制备的膜显示出更好的防污性能。

关键词：聚合膜、亲水、结垢、二氨基苯甲酸、没食子酸、腐植酸去除

1. 介绍

膜技术是一种有吸引力和可替代的分离方法，由于其快速和节能的过程，并且不需要相变[1]。膜已广泛用于许多领域，例如化学，制药工业，食品生产，特别是自来水和废水处理[2-4]。现在，随着对自来水水和废水处理的需求量增加，改进膜以提供优异的性能成为主要目标，例如以更高的排出率和更低的结垢来进行更高的通量和这些工序的节能使用。在水净化过程中，天然有机材料（NOM）是通过超滤（UF）或微滤（MF）除去，因为它们在高通量过滤中具有良好的性能。通常，水处理的效率不能满足工业过程的质量需求。主要的障碍是由于结垢导致的流量下降，因此使得频繁的膜清洗不可避免，这似乎导致更大的操作成本[5,6]。显然，膜性能（主要是水过滤）的改进是膜聚合物改性的目的。近年来，已经开发了许多新的聚合物材料。通常用于UF中的聚合物材料是聚合物，例如聚醚砜，醋酸纤维素，聚酰胺和聚酰亚胺[7]。其中，最常用的是聚醚砜（PES），因为它具有良好的机械，化学和热稳定性。 PES的缺点与其相对疏水的特性有关[8-10]，PES膜被认为是水过滤的高污染膜。结垢保留的是颗粒、大分子、胶体等，这些在膜表面上或孔壁中的孔内的沉积。结垢的一个缺点是膜通量会暂时或永久的减少[11]。通常认为，只要增加亲水性，就能有更好的耐污性[12]，因为更好亲水的表面吸收水分子以在膜表面和有机分子之间形成层。此外，由于许多污垢物本质上是疏水的，所以亲水表面不具有吸收它们的能力。水或废水中的大多数结垢来自于不溶于水的NOM，一个在UF过滤测试中用作模型的，具有明显特性NOM，可以被看作是一种腐殖酸（HA），其在膜上的聚集导致过滤通量变低。由于HA是带负电的以及其疏水性，所以可以用疏水性的或带负电的聚合物用作主要材料，以减少HA在膜表面上的吸附，这样HA分子和膜表面之间会产生负静电排斥[13,14]并且还防止由污垢引起的通量下降的影响。此外，为了能在过滤通量中具有递增的趋势，也可以使用其他亲水性聚合物或添加剂[15]。 之前已经进行了许多研究以使膜亲水[16-18]，同时也已经开发了一些方法，例如共混，化学接枝，表面接枝聚合和辐射诱导接枝，以增加表面亲水性[19-22]。在这些修饰方法中，共混由于其简单，多功能性，重现性和环境相容性，本研究选择混合[23]。为了增加共混方法中的膜亲水性，通常将亲水性添加剂与成膜聚合物共混。使用的一些添加剂包括聚乙烯吡咯烷酮（PVP）[24,25]，聚亚砜酰胺[26]，聚乙二醇（PEG）[27]等。

在本工作中，两种有机添加剂，即3,5-二氨基苯甲酸（DBA）和没食子酸（GA），以不同的浓度用作PES浇铸溶液中的亲水性添加剂。 3,5-二氨基苯甲酸（C₇H₈N₂O₂）和没食子酸（C₇H₆O₅）是芳香和极性的，具有胺，羟基和羧基，使它们具有强亲水性，如图1所示。

研究了在过滤腐殖酸（HA）过程中添加剂对PES膜的性能，形态，亲水性和结垢行为的影响的同时，还表征改性膜FTIR-ATR，AFM，SEM，EWC和接触角。因此，该策略的主要努力的方向是为了达到最大渗透流量，同时具有最大的HA溶质排斥和较少的结垢行为。

图1 : 3,5-二氨基苯甲酸（a）和没食子酸（b）的分子结构。

1. 实验

2.1 材料

聚醚砜（PES Ultrason E6020P，Mw = 58,000g / mol）和二甲基乙酰胺（DMAC）由BASF提供。 从Merck获得聚乙烯吡咯烷酮（PVP，Mw = 25,000g / mol）和3,5-二氨基苯甲酸（DBA，Mw = 152.15g / mol）。 使用来自Sigma-Aldrich的没食子酸（GA）和腐殖酸（HA）。 通过将HA粉末溶解在1L蒸馏水中制备腐殖酸溶液。 HA溶液的pH值通过0.1M HCl控制在6.9plusmn;0.1。 膜测试溶液中HA的浓度为1000mg / L。 在整个研究中使用蒸馏水。

2.2. PES超滤膜的制备

PES膜通过浸没沉淀技术的相转化[28]制备。 将各种添加剂以不同比例与含有PVP的PES / DMAC铸塑溶液分别混合。 将这些组分在200rpm和25℃下搅拌6小时。 在完全混合和形成均匀浇铸溶液后，将铸塑溶液保持恒定，通过轻微搅拌以除去气泡。 使用具有75mm厚度的自制浇铸刀将溶液喷洒并浇铸在聚酯无纺布上。

将铸塑膜浸入水浴中以在室温下浸渍和成膜，将制备的膜洗涤并在水中储存至少1天以完全浸出残留的溶剂和添加剂。 作为最后阶段，通过在室温下放置在两片滤纸之间24小时来干燥膜，膜的厚度为约100mm。表1对材料及其在每个膜中的重量百分比进行分类。

将铸塑膜浸入水浴中以在室温下浸渍和成膜，而没有任何蒸发。 将制备的膜洗涤并在水中储存至少1天以完全浸出残留的溶剂和添加剂。 作为最后阶段，通过在室温下放置在两片滤纸之间24小时来干燥膜。 膜的厚度为约100mm。 表1对材料及其在每个膜中的重量百分比进行分类。

2.3 膜的表征

2.3.1 原子力显微镜（AFM）

为了分析膜表面的表面形态和粗糙度，使用Dual scope TM扫描探针 - 光学显微镜（DME型号C-21，Denmark）获得AFM图像。 将制备的膜的小方块（约1cm ²）切割并胶合在玻璃基材上，并将膜表面以5mmtimes;5mm的扫描尺寸成像。 根据平均粗糙度（Sa），Z数据的均方根（Sq）以及五个最高峰和最低谷的平均差（Sz）表示的膜的表面粗糙度参数由AFM 图像通过SPM DME软件。

2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）

通过扫描电子显微镜（Hitachi FE-SEM S-4160）提供PES超滤膜的横截面和表面形态。 将制备的膜的小方块（约1cm ₂）切割并用滤纸清洁。 然后，将碎片在液氮中捕捉60-90秒，并冷冻，得到通常的干净的断裂。 将膜的破碎碎片保持在空气中用于干燥。 干燥的样品是金溅射以产生导电性。 在用金溅射之后，在15kV下用显微镜观察PES超滤膜的横截面和表面形态。

2.3.3 ATR-FTIR光谱

通过FTIR光谱获得用于光谱研究的膜，并通过使用SHIMADZU FTIR-8400S光谱仪的衰减全反射（ATR）技术，用水平ATR装置记录。

2.3.4 接触角测量

为了研究膜的表面润湿性，作为浇铸溶液中每种亲水性单体浓度的因素，测量水接触角。 使用接触角测量仪器（OCA 15 plus，Data physics）估计膜表面的亲水性。 在所有测量中使用去离子水作为探针液体。 为了减少实验误差，在三个随机位置测量接触角，并报告平均值。

2.3.5 平衡含水量（EWC）和膜孔隙率

平衡含水量（EWC）是一个显示膜的亲水性或疏水性程度的参数[29]。 此外，其可以用于显示膜子层的孔隙率。 为了测量EWC，将膜切成2cmtimes;2cm的尺寸，然后浸入水中24小时。 通过纸组织去除湿膜表面上的过量水，并在此之后称重。 将湿膜置于烘箱中并在60℃下干燥48小时[30]。 作为最终水平，称量干膜。 为了计算室温下的EWC,使用如下公式：

其中（Ww）是湿膜的重量，（Wd）是干膜的重量。 EWC试验重复三次，并报告平均值。

2.3.6 过滤性能和结垢分析

过滤实验在其他地方[31]所述的死端超滤搅拌池中进行。 结垢可以通过在过滤实验期间出现的电阻来量化。 由在膜表面上形成滤饼或凝胶层和或在孔壁处的孔内沉积颗粒引起的阻力。

通过滤饼和膜的通量（J）可以由等式 （2）：

其中m是渗透水的质量，Dt是渗透时间和，A为膜面积。 纯水通量测量（Jwi）

15分钟，用1000mg / L HA重新填充溶液储存器溶液，在30分钟内获得通量（Jp）。 之后，用蒸馏水洗涤膜15分钟，测量清洁的膜的纯水通量（Jwc）。 这些过滤实验进行三次以减少实验误差。 为了判断耐污染性膜的能力，通量回收率（FRR）

使用以下公式计算：

膜的总耐结垢能力表达式：<!--

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