含水分子集簇通道介孔纳米颗粒-反渗透复合膜的结构设计及制备

Zeolite-reverse osmosis (RO) membrane attracts widespread attention by its dramatically improved water permeability through the flow paths for water provided by the pores in the zeolites. However, the morphology and the pore structure of the zeolites nanoparticles are orient, which make the available water channel in the RO membrane to control difficultly. In addition, the nanoparticles did not form a strong bond with the polymer and defects formed resulting decline the rejection due to the physically embedded fill mode of zeolites. This project will prepare amino functionalized mesoporous silica (NH2-SiO2) by hydrothermal method. NH2-SiO2 will possess non-oriented of the pore structure and non-oriented spherical morphology with smaller diameter (<200nm). The amino group of NH2-SiO2 will react with acyl chloride group of trimesoyl chloride in hexane during the interfacial polymerization. In result, the strong interaction could be form between NH2-SiO2 and polymer through chemical bonding and membrane defects could be avoid. So that, the novel RO composite membrane containing cluster path for water could be obtained. The properties of mesoporous nano particles and mesoporous nano particle-RO composite membrane will be characterized by a variety methods in order to obtain the formation mechanism of mesoporous nano spherical particle, interfacial polymerization mechanism and the transport mechanism of cluster path for water. This project not only can enrich the basic theory of membrane science, but also provide new ideas and theoretical basis for the new RO composite membrane development.

含水通道沸石分子筛-反渗透（RO）复合膜是膜领域的研究热点。然而，由于沸石分子筛的形貌和孔道结构具有取向性，使沸石分子筛-RO复合膜中有效的水通道不易控制；另外，物理包埋的填充方式使沸石分子筛与聚合物之间未能形成强的相互作用，会在膜中造成缺陷，使截盐率下降。本课题针对该问题，采用水热法制备具有非取向性球形形貌和非取向性孔道结构的小粒径（<200nm）介孔氨基官能化二氧化硅（NH2-SiO2）。在界面聚合反应中使NH2-SiO2的氨基与油相中单体的酰氯基反应，使NH2-SiO2通过化学键合与聚合物产生紧密结合,避免造成膜缺陷，以获得具有水分子"集簇通道"的新型RO复合膜。利用各种表征手段，获得介孔纳米球形颗粒的形成机理、含水分子集簇通道介孔纳米颗粒-RO复合膜的成膜机理以及介孔作为水分子集簇通道的传递机理。本课题的实施不仅可以丰富膜科学基础理论，而且为新型RO复合膜的发展提供新思路和理论依据

随着人口增长和经济发展，水资源短缺问题日益突显。反渗透技术是目前海水淡化最经济、应用最为广泛的技术之一。反渗透技术的核心是反渗透膜，因此研发具有高水通量、高截盐率、耐污染的新型反渗透膜材料成为研究的重点。将无机纳米材料引入有机反渗透膜中制备的薄层纳米复合膜（thin film nanocomposite, TFN）可以有效的提高膜的分离性能。因此，TFN膜成为反渗透膜的研究热点。在众多的纳米材料中，介孔材料因其具有较大的比表面积，较大的孔径和孔容，亲水性的表面的特性，被广泛的应用在多个领域。本项目制备了介孔MCM-41, MCM-48以及氨基功能化的MCM-41纳米球形颗粒，以其作为纳米填充物制备了一系列的TFN反渗透膜。研究结果表明，纳米颗粒的加入均能使水通量增加近一倍，但截盐率没有显著的下降。具有三维立方向孔结构的MCM-48对水通量的增加程度优于具有二维六方向的MCM-41，表明纳米颗粒的孔起到了水通道的作用。项目通过将纳米颗粒分散在界面聚合的不同相中，考察纳米颗粒在膜中的状态，以此确定最佳的制备条件。结果表明，当把纳米颗粒分散在有机相中制备TFN膜时，纳米颗粒通过界面聚合反应嵌入贯穿整个聚酰胺活性层，水通量增加，并未使截盐率明显下降；当把纳米颗粒分散在水相中制备TFN膜时，大部分纳米颗粒处于聚砜支撑层与聚酰胺活性层之间，仅有少量扩散进入聚酰胺层，当纳米颗粒的添加量较多是，水通量增加较大，由24 L/m2h提高到68 L/m2h，但是脱盐率也有所下降，由97%降低到80%。另外，由实验结果还表明，将同一种纳米颗粒不管是分散在有机相中还是水相中均能改善膜的分离性能，而且在纳米颗粒添加量较少时，其对膜性能的提升程度较大，而且当纳米颗粒添加量较多时，由于存在分散问题，容易在制备的TFN膜中聚集，而产生缺陷。因此，我们提出了新的制备方法，即将少量的纳米颗粒同时分散的两相中，通过界面聚合法制备TFN膜，与传统的界面聚合法相比，没有增加制备步骤，达到相同的水通量，需要更少的纳米颗粒。这就解决了大量纳米颗粒难分散的问题，而且节约了成本。