离子液体荷电杂化纳滤膜强化去除水中重金属的研究

In order to overcome the tradeoff effect and membrane fouling existed in nanofiltration (NF) processes for removal of heavy metals from water, this work will incorporate silicon dioxide (SiO2) nanoparticles modified by ionic liquid (IL) in the interfacial polymerization process in order to control the charge property, hydrophilicity and the structure of the organic/inorganic hybrid membranes and fabricate membranes with high flux, optimal selectivity and antifouling properties for heavy metal removal. With the unique properties of ionic liquids and silicon dioxide (SiO2), this work will design and choose ionic liquids from molecular lever and graft them on the surface of SiO2 nanoparticles via reverse atom transfer radical polymerization. The effects of different structures of ionic liquids on the physicochemical properties of grafted SiO2 nanoparticle will be studied. A polyamide layer containing SiO2-PIL nanoparticle will be prepared on the surface of Torlor® polyamide-imide supports by interfacial polymerization. The effects of different SiO2-PIL nanoparticle and reaction conditions on the hybrid membranes will be carefully investigated, including morphologies, surface charge, hydrophilicity, and nanofiltration performance. The interaction between the SiO2-PIL nanoparticle and the polyamide layer will also be discussed to identify the compatibility and dispersity of the particles. The charged hybrid SiO2-PIL membranes will be tested in the heavy metal solution for permeability, selectivity as well as antifouling behaviors and the separation mechanisms will be explored with the help of physiochemical characterizations. The work will provide an efficient method to fabricate an inorganic/organic hybrid membrane with high fluxes and antifouling properties for heavy metal removal.

针对纳滤去除水中重金属离子的tradeoff效应及膜污染问题，本申请拟在界面聚合过程中添加功能性离子液体（IL）修饰的SiO2纳米颗粒，调控膜表面电性、亲水性及膜结构，制备适用于水中重金属去除的高选择性、高通量杂化荷电纳滤膜。通过有针对性的设计离子液体阳／阴离子的组合以及官能团，利用反向原子转移自由基聚合法合成二氧化硅-聚离子液体（SiO2-PIL）纳米颗粒；阐明不同功能化SiO2-PIL添加量、添加方式及聚合条件等因素对杂化荷电纳滤膜性能的影响规律及作用机理，提高SiO2纳米颗粒在聚合物中的稳定性及分散性；对水中重金属离子进行渗透通量、截留率、抗污染性能等测试，利用物理化学表征揭示杂化荷电纳滤膜去除水中重金属的分离机制，建立一种高效利用SiO2纳米颗粒制备高通量、抗污染的荷电复合杂化纳滤膜的方法，实现对水中重金属离子的有效去除，为其实际应用提供理论基础。

针对纳滤膜受渗透通量和分离性能之间相互制约的问题，已有大量技术应用于纳滤膜性能的提升。其中，通过在纳滤膜制备过程中加入某些纳米颗粒或多孔材料等，可满足不同行业对膜性能的个性化需求。但添加材料分散性有限，与有机膜材料相容性较差，进而导致的分离性能下降等问题一直存在。本课题利用离子液体对SiO2纳米颗粒进行表面接枝，提高纳米颗粒分散性以及与有机膜相容性，减少膜表面缺陷的产生，提高纳滤膜的渗透与分离性能。.本文通过原子转移自由基聚合将离子液体接枝在二氧化硅表面，改性后二氧化硅纳米颗粒孔径从0.84 nm减小到0.62 nm，颗粒表面负电性减弱。沉降实验结果表明，离子液体的接枝改善了二氧化硅颗粒在水相中分散性差的问题。.在界面聚合阶段，将改性后的二氧化硅颗粒（SiO2-PIL）掺入纳滤膜，制备得到复合杂化纳滤膜。结果显示，在添加不同SiO2-PIL颗粒后，纳滤膜亲水性均有不同程度提高，而孔径分布变化不大。相比于未改性SiO2，SiO2-PIL制备的复合杂化膜性能提升更加稳定，这得益于改性颗粒与有机材料的相容性和分散性提高。结合渗透性能和分离性能，优选的复合杂化纳滤膜通量达46.98 L·m-2·h-1，相比于空白纳滤膜提高了1/3，并且对MgCl2截留率由62.04%提高到87.83%。.最后研究了复合杂化纳滤膜对水中重金属离子的去除效果与影响因素。研究发现，相对于空白纳滤膜，复合杂化纳滤膜对不同重金属的截留率有不同程度提升。在一定范围内，较低的pH有助于提高重金属盐截留率。而水中其他无机盐（以NaCl为例），过高的NaCl浓度对截留作用有抑制效果。除此之外，还发现，阴离子种类，重金属离子浓度以及离子共存状态对截留率也有一定影响。.本课题通过离子液体改性二氧化硅，为无机纳米颗粒在水中分散性的提高提供了一种新的方法，开发的复合杂化纳滤膜性能稳定，且表现出渗透性能与分离性能的同步提升。