壳聚糖季铵盐/高分子复合纳滤膜的制备及其特征研究
通过季铵化与接枝共聚两种不同的方式对壳聚糖进行改性，获得了两种不同的壳聚糖季铵盐，分别为2-羟基-3-三甲铵基．丙基壳聚糖(HAPC)和壳聚糖-三甲基烯丙基氯化铵接枝共聚物(GCTACC)。以HAPC和GCTACC为活性层的成膜材料，以亲水性不一的聚砜(PSF)超滤膜、聚丙烯腈(PAN)超滤膜为支撑层，以环氧类、二异氰酸酯类等不同类型的有机试剂为交联剂，采用涂敷和交联的方法，制备了11种新型荷正电复合纳滤膜。利用扫描电境(SEM)、原子力显微镜(AFM)对其结构形貌进行观察；利用红外光谱对膜表面交联情况进行分析；此外，还调查了复合膜的渗透特征和一些其它特征。
以高氯酸为催化剂和反应介质，使壳聚糖在均相条件下与缩水甘油醚三甲基氯化铵发生季铵化反应，制备2-羟基-3-三甲铵基．丙基壳聚糖(HAPC)。
以HAPC为活性层材料，以PAN为支撑层，以具有不同链长结构的环氧氯丙烷(ECH)和丙三醇三缩水甘油醚(GCGCE)环氧类为交联剂制备了两种HAPC/PAN复合纳滤膜。ECH交联的复合膜在室温下纯水渗透系数为9.25L·h<'-1>·m<'-2>Mpa<'-1>；在室温和操作压力为1.0MPa下，其截留分子量为560，膜孔径约为0.74nm，均方粗糙度(RMS)为8.50±1.5(10<'3>nm)；电压渗系数为12.0mv·MPa<'-1>；在操作压力为1.0MPa下，对1000 mg·L<'-1>MgCl<,2>、CaCl<,2>、KCI、NaCl和Na<,2>SO<,4>溶液的截留率分别为96.6、96.6、56.1、57.5和26.6﹪，通量分别为7.00、7.30、16.3、15.9、9.86 L·m<'-2>·h<'-1>GCGCE交联HAPC/PAN复合纳滤膜。该复合膜在室温下纯水渗透系数为16.6 L·h<'-3>·m<'-2>·MPa<'-1>；在室温和操作压力为1.0MPa下，其截留分子量为800，膜孔径约为0.84nm；均方粗糙度(RMS)为22.3±0.30(10<'3>nm)，；电压渗系数为4.43mv·MPa<'-1>；在操作压力为1.0MPa，对1000 mg·L<'-1>MgCl<,2>、CaCl<,2>、MgSO<,4>、 KCl和K<,2>SO<,4>溶液的截留率分别为87.9、72.4、25.4．、19.1和11.3﹪，通量分别为12.2、22.9、28.9、29.6和31.8 L·m<'-2>·h<'-1>。
发现具有长链结构GCGCE交联HAPC/PAN的复合纳滤膜的截留分子量、纯水渗透系数均要大于具有短链结构ECH交联HAPC/PAN的复合纳滤膜。
以HAPC为活性层材料，以PAN为支撑层，以具有不同刚软结构的二异氰酸酯如六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、甲苯二异氰酸酯(TDI)为交联剂，分别制备了两种HAPC/PAN复合纳滤膜。HDI交联的复合膜在室温下纯水渗透系数为17.2 L·h<'-1>·m<'-2>·MPa<'-1>；在室温和操作压力为1.0MPa下，截留分子量为520，膜孔径约为0.72nm，电压渗系数为6.31 mv·MPa<'-1>；均方粗糙度(RMS)为15.6±0.24(10<'3>nm)；在操作压力为1.0MPa下，对1000 mg·L<'-1>MgCl<,2>、CaCl<,2>、KCl、NaCl和Na<,2>SO<,4>溶液的截留率分别为92.9、93.4、50.3、67.3和19.6％，通量分别为12.3、32.8、31.3、10.4和32.3 L·m<'-2>·h<'-1>；HDI和TDI交联的复合膜在室温下纯水渗透系数为10.6 L·h<'-1>·m<'-2>·MPa<'-1>；在室温和操作压力为1.0 MPa下，截留分子量为560，膜孔径约为0.74nm；电压渗系数为7.73 mv·MPa<'-1>；均方粗糙度(RMS)为12.3±0.52(10<'3>nm)；在操作压力为1.0MPa下，对1000mg·L<'-1>MgCl<,2>、CaCl<,2>、MgSO<,4>、KCl、NaCl和Na<,2>SO<,4>溶液的截留率分别为96.6、95.6、50.4、61.5、61.5和24.7％，通量分别为12.9、14.7、15.3、14.1、13.2和12.6 L·m<'-2>·h<'-1>。发现以单一具有软性结构的HDI为交联剂制备的纳滤膜具有较强的截留能力和透水能力。以单一具有刚性结构的TDI为交联剂所制备的复合膜较脆、易裂；且制备条件苛刻。以TDI与HDI混合为交联剂所制备的复合膜，有较强的截留能力和适中的透水能力。
以HAPC为活性层材料，以PAN超滤膜为支撑层，以己二酸和乙酸酐的混合酸酐为交联剂，制备了另一种HAPC/PAN复合纳滤膜。该膜在室温下纯水渗透系数为6.99 L·h<'-1>·m<'-2>·MPa<'-1>；在室温和操作压力为1.0 MPa下，截留分子量为560，膜孔径约为0.74nm：电压渗系数为7.73 mv·MPa<'-1>；均方粗糙度(RMS)为7.50±0.31(10<'3>nm)；在操作压力为1.0MPa下，对1000 mg·L<,-1>MgCl<,2>、NaCl、KCl、MgSO<,4>、K<,2>SO<,4>、Na<,2>SO<,4>和CaCl<,2>溶液的截留率分别为95.8、69.7、65.7、38.1、21.9、27.5和97.2％，通量分别为4.81、7.96、8.88、7.96、8.19、8.27和7.65 L·m<,-2>·h<,-1>。由于交联时引进酯基，复合膜的疏水性增强，该复合膜截留能力较强，但透水性降低。
以HAPC为表面活性层，以PSF为支撑层，分别以HDI和ECH为交联剂，制备了两种HAPC/PSF复合纳滤膜。HDI交联HAPC/PSF的复合膜在室温下纯水渗透系数为13.6 L·h<,-1>·m<,-2>·MPa<,-1>；在室温和操作压力为1.0MPa下，该膜截留分子量为500，膜孔径约为0.71nm；电压渗系数为10.8 mv·MPa<,-1>；均方粗糙度(RMS)为9.63±0.18(10<'3>nm)；在操作压力为1.0MPa下，对1000 mg·L<'-1>MgCl<,2>、MgSO<,4>、Na<,2>SO<,4>、K<,2>SO<,4>、KCl和NaCl溶液的截留率分别为96.9、58.5、36.5、33.1、76.0和80.9％，通量分别为12.9、11.9、11.6、11.6、13.8和13.9 L·m<'-2>·h<'-1>；ECH交联的复合膜在室温下纯水渗透系数为12.6 L·h<'-1>·m<'-2>·MPa<'-1>；在室温和操作压力为1.0MPa下，该膜截留分子量为720，膜孔径约为0.82nm；电压渗系数为34.2 mv·MPa<'-1>；均方粗糙度(gMS)为8.45±0.38(10<'3>nm)，在操作压力为1.0MPa下，对1000 mg·L<'-1>MgCl<,2>、MgSO<,4>、Na<,2>SO<,4>、K<,2>SO<,4>、KCl和NaCl溶液的截留率分别为96.5、45.0、31.8、22.5、67.1和70.8％，通量分别为15.6、14.1、14.4、13.9、15.5和14．1L·m<'-2>·h<'-1>。以PSF为支撑层，HDI为交联剂所制备的HAPC/PSF复合纳滤膜相对以PAN为支撑层所制各的HAPC/PAN复合纳滤膜，膜的截留性能提高，但透水能力下降；以PSF为支撑层，ECH为交联剂所制备的HAPC/PSF复合纳滤膜相对以PAN为支撑层所制备的HAPC/PAN复合纳滤膜，膜的透水能力增强，但截留性能几乎保持不变。
将壳聚糖与三甲基烯丙基氯化铵进行接枝共聚，制备壳聚糖．三甲基烯丙基氯化铵接枝共聚物(GCTACC)。
以GCTACC为表面活性层材料，以PAN为支撑层，以ECH为交联剂所制备的GCTACC/PAN复合纳滤膜。该膜在室温下纯水渗透系数为6.30L·h<'-1>·m<'-2>·MPa<'-1>；在室温和操作压力为1.0MPa下，其截留分子量仅为490左右，膜孔径约为0.70nm：电压渗系数为11.7mv·MPa<'-1>；均方粗糙度(RMS)为10.2±0.13(10<'3>nm)；在操作压力为1.2MPa时，对质量浓度为1000 mg·L<'-1>的MgCl<,2>、CaCl<,2>、MgSO<,4>、NaCl、Na<,2>SO<,4>溶液的截留率分别为97.6、97.2、89.7、65.0和40.7％；通量分别为6.80、6.12、6.12、5.57和5.51 L·h<'-1>·m<'-2>。由于以具有短链结构的ECH为交联剂，形成交联网络孔径较小，该膜的透水能力较弱，截留分子量小。
复合纳滤膜;壳聚糖季铵盐;壳聚糖;接枝共聚物;HAPC;GCTACC;光卤石
中国海洋大学
博士
海洋化学
陈国华;孙明昆
2007
中文
TQ028.8
165
2007-09-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）