摘 要

正渗透膜是由活性皮层和支撑层膜两部分构成，为了减小传质阻力和内浓差极化，良好的支撑层对膜的性能影响尤为重要。因此，本文主要目的是为了制备出具有较高通量的、性能优异的支撑层膜。

纳米颗粒掺杂改性是提高聚合物膜材料的性能、拓宽它的应用范围的最简单和最高效的方法之一。本文通过在常用的膜材料聚醚砜中掺入蛭石颗粒来改善支撑层的结构和性质，优化膜的结构参数，提高膜的渗透通量。将经900°C高温焙烧的蛭石研磨(30～75μm)后掺入到涂膜液中，得到掺杂量分别为5%、10%、15%、20%的复合膜以及作为对照的空白膜。同时，通过对膜的渗透通量、接触角和分子截留率的测定以及SEM、AFM等相关表征来考察膜的性能。

另外，蛭石是一种含有蛭石晶层的、结构为2:1型的层状硅酸盐，由于其具有加热膨胀性、良好的阳离子交换性能和吸附性。本文主要考察了温度和改性溶剂对蛭石的影响，并通过进行XRD、TEM等表征来进一步证明。

结果表明，蛭石/聚醚砜纳米复合膜的蛭石掺杂量为10%时，膜的纯水通量和分子截留率较高；蛭石的高温焙烧温度控制在1000°C左右时，蛭石的层间距增大较为明显。就改性溶剂而言，30%H₂O₂对蛭石进行改性的效果最佳。

关键词： 聚醚砜 蛭石 支撑层 高通量

Preparation and characterization of polyether sulfone (PES) nanocomposite membrane

Abstract

Forward osmosis is composed of an active layer and the support layer membrane, it is very important for the performance of support membrane to reduce the resistance of mass transfer and concentration polarization. Therefore, the main purpose of this article is to prepare the support layer membrane with high flux and performance.

Nanoparticles doped can improve the properties of the polymer membrane materials, which is one of the easiest and most efficient way to expand its range of applications. In this paper, we try to improve the structure and properties of support layer, optimize the structure parameters of the membrane and improve the flux of the membrane by adding the vermiculite particles into the conventional membrane material polyether sulfone (PES). After roasting vermiculite with the 900 ° C high temperature, we grind it to get the particle size that we want (30 ~ 75μm), then doped it into PES polymer solution (the quality fraction of vermiculite : 5%, 10%, 15%, 20%) and the pure PES membrane as a blank control. At the same time, through the permeation flux, contact angle and retention of molecular of the membrane, and SEM, AFM and other relevant characteristics to examine the properties of the nanocomposite membrane.

Besides, vermiculite is a silicate which contains a vermiculite layer, its structure is 2:1 type. Due to its structure, vermiculite has the thermal expansion, good adsorption and ion exchange properties. This paper examines the effects of temperature and solvent on the modified vermiculite, and by performing XRD, TEM characterizations to further proof.

The results showed that when the doping amount of vermiculite in the nanocomposite membrane is 10%, the water flux and molecular cut-off of the membrane is more higher; vermiculite is heated with 1000 °C, the interlayer spacing increases more obvious. As for exfoliated solvent, 30% H₂O₂ vermiculite works better.

Key Words: Polyether sulfone; Vermiculite; Support layer; High flux

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1背景 1

1.2正渗透技术简介 1

1.2.1正渗透的基本原理 1

1.2.2正渗透膜 1

1.2.3正渗透膜的特点 2

1.3聚合物纳米复合膜的制备方法 3

1.4本课题研究意义及内容 6

第二章 聚醚砜/蛭石颗粒纳米复合膜的制备与表征 7

2.1前言 7

2.2材料与方法 7

2.2.1实验材料和仪器 7

2.2.2蛭石/聚醚砜纳米复合膜的制备 8

2.3蛭石/聚醚砜纳米复合膜的表征 9

2.3.1扫描电子显微镜（FESEM） 9

2.3.2原子力显微镜（AFM） 9

2.3.3静态水接触角 10

2. 3.4纯水通量的测定 10

2.3.5分子截留率的测定 11

2.4 结果和讨论 12

2.4.1 FESEM表征 12

2.4.2 AFM表征 13

2.4.3 静态水接触角 15

2.4.4 纯水通量的测定 15

2.4.5 分子截留率（BSA） 16

2.5本章小结 17

第三章 蛭石颗粒性能影响因素的研究 18

3.1前言 18

3.2材料与方法 18

3.2.1实验材料和仪器 18

3.2.2考察因素 19

3.2.3蛭石的表征 19

3.3结果与讨论 20

3.3.1 温度对蛭石的影响 20

3.3.2 改性溶剂对蛭石的影响 22

3.4本章小结 23

第四章 结论与展望 24

参考文献 25

致 谢 27

第一章 文献综述

1.1背景

近几年来，由于人口数量不断增加，人们的生活水平不断提高，导致人们对淡水资源的需求显著提高。据报道，世界上大部分的人都缺乏干净健康的饮用水，而很多不发达的国家一直有水资源短缺的压力。尽管淡水遍及地下岩石土壤和大气、河流和湖泊、雪山和冰川当中，但是淡水占水资源的比例很小。地球表面的总水量有 97.3%为海水，而其中只有含盐量低于500mg/L 的水才是可饮用的，淡水资源的日益紧张使得越来越多的人研究如何找到有效的方法将盐从海水和苦咸水中移除，这些统称为脱盐过程^[1]。海水的脱盐过程有希望被用于弥补饮用水的缺乏。因此，越来越多的国家和地区选择大力发展海水淡化技术，而新型海水淡化技术为人们解决淡水资源的危机提供了方向。

膜分离技术是一种高效的、先进的新型分离技术，它在工业、农业等领域具有广阔的应用前景。而在过去的几十年中，微滤、超滤、纳滤、反渗透和电渗析等膜分离过程逐渐被人们所熟知，已成为水处理领域不可或缺的重要方法^[2]。可与大多数的分离方法一样，评判膜分离过程的经济性和商业价值主要取决于能耗的高低，而正渗透 (Forward Osmosis, FO)过程不仅能耗低，而且对膜而言，抗污染性能较强，方便清洗和易回收。它是针对海水淡化和废水处理的最有效的手段之一。

1.2正渗透技术简介

1.2.1正渗透的基本原理

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