MoS2 納米復(fù)合中空纖維膜的制備及滲透汽化性能

Taymazov Dovletjan， 李文軒， 馬曉華， 許振良

（華東理工大學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)工程研究所膜科學(xué)與工程研發(fā)中心，上海 200237）

作為一種常用的化工產(chǎn)品，異丙醇（IPA）是生產(chǎn)除草劑、浮選劑、消毒劑、維生素B12 和部分催化劑的重要原料，同時(shí)也是主要的燃料添加劑[1-5]。許多工藝對IPA 的純度要求較高，甚至要求使用無水IPA。因此，在制備和回收IPA 的過程中，脫水是一個極為重要的環(huán)節(jié)。然而，IPA 和水會形成恒沸物，這使得傳統(tǒng)的蒸餾或萃取的方法無法實(shí)現(xiàn)IPA 和水溶液的高效分離[3,6-7]。滲透汽化（PV）作為一種新興的膜分離技術(shù)，特別適用于恒沸物的分離[8-10]。

目前，二維（2D）材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于膜分離領(lǐng)域。2D 材料作為添加劑嵌入到膜的選擇性分離層中，或是直接利用2D 材料制備超薄且具有優(yōu)異分離性能的分離層，均可有效地提高膜的滲透性和選擇性[11-13]。MoS2納米片屬于過渡金屬二鹵化金屬（TMDs）系列的石墨烯狀二維材料，由于其柔韌性和理想的機(jī)械強(qiáng)度而備受關(guān)注[14-16]。MoS2納米片具有3 種類型的晶體相結(jié)構(gòu)：六方結(jié)構(gòu)（2H），四方結(jié)構(gòu)（1T）和菱形結(jié)構(gòu)（3R）[17]。通常情況下，1T 和2H 結(jié)構(gòu)的MoS2納米片被應(yīng)用于分離膜中分離層的制備。然而，1T 結(jié)構(gòu)的MoS2納米片穩(wěn)定性較差，較難儲存，并且在制備過程中需要嵌入鋰離子，從而存在安全問題[18]。因此，通過簡單液相剝離法制備的2H 結(jié)構(gòu)的MoS2納米片在大多數(shù)情況下是更合適的選擇[19]。

Govind 等[20]指出，水在2H 結(jié)構(gòu)的MoS2表面上的滑移長度為1.04 nm，比氧化石墨烯（GO）表面上的滑移長度多5 倍[16]。因此，水在MoS2納米片表面的傳輸速度比在GO 納米片表面的傳輸速度快5 倍[16]。此外，由于沒有官能團(tuán)，MoS2納米片之間會形成光滑且固定的納米通道[21-23]，這將會極大地降低水分子的傳輸阻力，從而提高膜的分離性能[24]。

目前，MoS2納米片復(fù)合膜已用于納濾[25]、反滲透[26]、正滲透[27]、滲透汽化[28]和氣體分離[29]等研究領(lǐng)域，其制備方法均是通過旋涂法將MoS2納米片負(fù)載在有機(jī)平板膜上[28,30]，鮮有文獻(xiàn)報(bào)道基于MoS2納米片在陶瓷中空纖維（CHF）基膜上構(gòu)筑滲透汽化膜的選擇性層。CHF 基膜具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的理化性質(zhì)[31-33]，同時(shí)也有較高的孔隙率和良好的親水性。通常，CHF 基膜的孔徑（600～1 200 nm）較大且外表面較為粗糙[34-36]，難以直接在CHF 基膜的表面上構(gòu)筑出連續(xù)、均勻且無缺陷的MoS2分離層。通過在CHF 基膜外表面引入二氧化鈦（TiO2）過渡層，有效地降低了CHF 基膜的孔徑和粗糙度，且TiO2具有較強(qiáng)的親水性，與CHF 基膜結(jié)合良好[37-39]。

本文通過高溫?zé)Y(jié)法制備了含TiO2過渡層的CHF 基膜，再通過抽濾的方法制備了MoS2/PVA（聚乙烯醇）分離層，獲得高性能的滲透汽化膜。由于MoS2納米片的親水性較差[40-41]，選用親水性較強(qiáng)的PVA 可以有效地增強(qiáng)其親水性并將MoS2納米片黏結(jié)在含TiO2過渡層的CHF 基膜上，獲得致密、連續(xù)、無缺陷且粗糙度小的選擇性分離層。為降低復(fù)合膜溶脹，使用戊二醛（GA）對MoS2/PVA 進(jìn)行交聯(lián)[42]。通過掃描電子顯微鏡（SEM）、X 射線衍射（XRD）、原子力顯微鏡（AFM）、能量色散X 射線光譜（EDS）、X 射線光電子能譜儀（XPS）和水接觸角（WCA）等測試手段對復(fù)合膜的形貌和理化性質(zhì)進(jìn)行表征。通過測試MoS2/PVA 復(fù)合膜對IPA 水溶液的脫水分離性能來測試其滲透汽化性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料和試劑

MoS2（純度99.5%、粒徑＜2 μm），阿拉丁工業(yè)公司；TiO2（分析純、粒徑25 nm）、PVA（分析純、1788型），上海麥克林生物化學(xué)有限公司；GA（質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%），上海麥克林生化科技有限公司；鹽酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)36.0%～38.0%）、IPA（純度≥99.7%），國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；實(shí)驗(yàn)過程中使用的所有化學(xué)試劑未經(jīng)進(jìn)一步純化。去離子水，實(shí)驗(yàn)室制備；α-Al2O3陶瓷中空纖維膜（25 mm×3 mm， ? =2 mm），實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 表征儀器

SEM, 美國 Field Electron and Ion Company, Nova NanoSem 450 型，測定膜表面和截面形貌；泡壓法孔徑儀，貝士德儀器科技（北京）有限公司，3H-2000 PB 型，測量CHF 膜和TiO2-CHF 膜的孔徑分布情況；XRD, 日本 Rigaku Corporation, Mini-Flex 600 型，Cu Kα輻射，λ= 0.154 nm，測定MoS2體相材料粉末和MoS2/PVA 復(fù)合膜的結(jié)晶性；AFM, 美國 Bruker Corporation, Dimension Icon NT-MDT Prima 型，觀測膜表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及粗糙度；XPS, 美國 Thermo Fisher Scientific Inc., K-Alpha+型，分析PVA 膜和MoS2/PVA 復(fù)合膜的表面化學(xué)組成；EDS, 日本Hitachi Ltd., S3400N 型，研究MoS2/PVA 復(fù)合層表面元素的映射；WCA, 上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司， JC2000A 型，分析膜的親水性。

1.3 復(fù)合膜的制備

1.3.1 在CHF 基膜上制備TiO2中間層 通過浸涂-燒結(jié)法[34]制備TiO2過渡層。首先，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的PVA 水溶液，然后將一定量的TiO2粉末添加到PVA 溶液中，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的TiO2懸浮液，并攪拌12 h，使其分散均勻。然后用聚四氟乙烯（PTFE）生料帶密封CHF 膜的兩端，將密封好的CHF 膜垂直浸沒到TiO2懸浮液中進(jìn)行浸涂，浸漬時(shí)間2 min。浸涂2 次以獲得均勻的TiO2涂層，室溫下完全干燥后再在800 ℃燒結(jié)2 h。帶有TiO2層的CHF 基膜表示為TiO2-CHF 膜。

1.3.2 MoS2體相材料的剝離 通過液相剝離法制備MoS2納米片。將5 mg 的MoS2體相材料粉末放入IPA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的IPA 溶液中，水浴超聲12 h。然后取一定量的MoS2分散液，以4 500 r/min 的轉(zhuǎn)速離心分離，取上層清液；再以10 000 r/min 的轉(zhuǎn)速離心分離，取下層MoS2底物（質(zhì)量濃度約為0.08 mg/mL）并儲存在離心管中待用。

1.3.3 MoS2/PVA 分離層的制備 首先配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%的PVA 溶液，加入一定量的MoS2納米片分散液，超聲處理3 h，獲得均勻的MoS2/PVA 分散液。將此前制備好的TiO2-CHF 膜的一端用環(huán)氧膠密封，另一端連接真空泵。通過真空抽濾的方式，將MoS2/PVA 分散體抽濾至TiO2-CHF 膜上，構(gòu)筑出MoS2/PVA分離層，并通過抽濾時(shí)間控制復(fù)合膜MoS2/PVA 分離層的厚度。抽濾時(shí)間分別為20、30、40、50 min 和60 min，所對應(yīng)的膜命名為MoS2/PVA-t（t表示抽濾時(shí)間）。在TiO2-CHF 膜表面上構(gòu)建MoS2/PVA 分離層后，將其浸入酸性（含質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的鹽酸）的戊二醛溶液中交聯(lián)5 min，再在70 ℃下熱處理5 min。同時(shí)，在相同條件下，通過抽濾純MoS2或PVA（30 min）分別制備出MoS2膜和PVA 膜作為對照。

1.4 MoS2/PVA 復(fù)合膜的滲透汽化性能測試

使用自制的滲透汽化裝置對MoS2/PVA 復(fù)合膜的滲透汽化性能進(jìn)行測試[43]。在不同溫度下，測試膜對不同濃度的IPA 水溶液的分離性能。在測試過程中，透過物經(jīng)過液氮冷卻后在試管中被收集，并通過氣相色譜儀（上海天美科學(xué)儀器有限公司 ，GC7890T型）檢測收集液中IPA 的濃度，從而計(jì)算膜的分離因子（α）。滲透通量（J）的計(jì)算公式為：

其中：m（g）、A（m2）和t′（h）分別表示滲透物的質(zhì)量、膜的滲透面積和膜測試時(shí)間。IPA/water 分離因子（αIPA/water）表示為：

其中：Y和X分別表示收集液和進(jìn)料液中不同物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 CHF 基膜和TiO2-CHF 膜的表征手段

CHF 基膜和TiO2-CHF 膜的孔徑分布圖和表面斷面的SEM 圖像分別如圖1 和圖2 所示。構(gòu)建TiO2過渡層之后，CHF 基膜表面的孔徑和粗糙度均出現(xiàn)明顯下降。TiO2過渡層使得CHF 基膜的孔徑從1 170 nm 減小到137 nm。同時(shí)，負(fù)載TiO2之后，CHF 基膜的粗糙表面變得更光滑，這將有助于構(gòu)建連續(xù)且無缺陷的MoS2/PVA 分離層。此外，由圖2(b2)可以看出，TiO2層與CHF 膜之間沒有空隙，附著良好。

2.2 MoS2/PVA 復(fù)合膜的表征

2.2.1 MoS2/PVA 復(fù)合膜的形態(tài) PVA 膜、MoS2膜、MoS2/PVA-30 復(fù)合膜和MoS2/PVA-60 復(fù)合膜的SEM圖像如圖3 所示。在MoS2膜的制備過程中，由于MoS2分散體的黏度較低，MoS2納米片的抽濾速度明顯加快。因此，MoS2納米片迅速堆疊在TiO2-CHF膜的表面，呈雜亂無序的結(jié)構(gòu)，同時(shí)與基膜之間存在較大的空隙，無法形成連續(xù)且無缺陷的分離層（圖3(b1, b2)）。而將純PVA 溶液抽濾在TiO2-CHF 膜的表面，并不能明顯地看出分離層的存在（圖3(a1, a2)），這或許是因?yàn)镻VA 容易滲入TiO2-CHF 膜的孔隙中，難以形成連續(xù)致密的分離層。因此，在構(gòu)筑MoS2/PVA選擇性層的過程中，PVA 起到了“黏合劑”的作用。由于PVA 溶液的黏度較高，在抽濾過程中會降低MoS2納米片的負(fù)載速度，同時(shí)也明顯增強(qiáng)了MoS2納米片與TiO2-CHF 膜表面上的黏結(jié)性。從MoS2/PVA復(fù)合膜的SEM 截面圖（圖3(c2)和3(d2)）可以看出，MoS2/PVA 分離層連續(xù)且致密，這與圖3(b2)中呈現(xiàn)出的含較大空隙的結(jié)構(gòu)完全不同。這表明PVA 的存在大幅增強(qiáng)了MoS2/PVA 層和TiO2-CHF基膜之間的黏附性。然而，當(dāng)抽濾時(shí)間達(dá)到60 min時(shí)，MoS2/PVA復(fù)合膜表面出現(xiàn)了缺陷（圖3(d1)），這可能是由于MoS2納米片的負(fù)載量過高導(dǎo)致的。

對比圖3(c1)和圖3(d1)可以看出，隨著抽濾時(shí)間的增加，MoS2/PVA 復(fù)合膜的表面逐漸光滑。TiO2-CHF、MoS2/PVA-30、MoS2/PVA-60 復(fù)合膜的AFM 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖和表面粗糙度(Ra)如圖4 所示。從圖4 可以看出，TiO2-CHF 膜的表面粗糙度為139 nm，而MoS2/PVA-30 和MoS2/PVA-60 復(fù)合膜的表面粗糙度分別為15 nm 和7 nm，呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。

圖1 CHF 膜（a）和TiO2-CHF 膜（b）的孔徑分布圖Fig. 1 Pore size distribution diagram of CHF membrane (a) and TiO2-CHF membrane (b)

圖2 CHF 膜（a1，a2）和TiO2-CHF 膜（b1，b2）表面（上）和斷面（下）的SEM 圖Fig. 2 SEM images of the surface (up) and cross-section (down)of CHF membrane (a1, a2) and TiO2-CHF membrane (b1,b2)

采用EDS 對MoS2/PVA-30 復(fù)合膜表面進(jìn)行元素分析（圖5(a)）可知，在MoS2/PVA 復(fù)合膜的表面上主要存在C、O、Mo 和S 這4 種元素且分布均勻，說明MoS2納米片在PVA 中分散均勻。XPS 結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了C、O、Mo 和S 元素的存在，如圖5(b)所示。

2.2.2 MoS2納米片對交聯(lián)度的影響 為了對比MoS2納米片對PVA 與GA 之間交聯(lián)度的影響，采用XPS對PVA 膜和MoS2/PVA-30 復(fù)合膜進(jìn)行了對比分析，其XPS 譜圖如圖6 所示，可觀察到位于287 eV處的O-C-O 峰，證明了PVA 的羥基與GA 的羰基進(jìn)行了交聯(lián)反應(yīng)，形成了O-C-O 基團(tuán)[44]。這說明通過GA 溶液浸泡發(fā)生的交聯(lián)反應(yīng)可以有效地解決MoS2/PVA 分離層的溶脹問題。此外，與PVA 膜相比，MoS2/PVA-30 復(fù)合膜的C1s 峰中C-C/C-H 的峰值更高。這表明MoS2/PVA復(fù)合膜的交聯(lián)程度比PVA膜的交聯(lián)程度更高。因此，可以認(rèn)為，MoS2納米片的存在會促進(jìn)選擇性層交聯(lián)度的提升。

2.2.3 結(jié)晶性 采用XRD 對MoS2體相材料粉末、MoS2/PVA-30 復(fù)合膜和TiO2-CHF 膜的結(jié)晶性進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖7 所示。根據(jù)XRD 檢測結(jié)果，MoS2體相材料的光譜峰出現(xiàn)在14.4°（圖7(a)），而MoS2/PVA-30 復(fù)合膜的MoS2光譜峰（圖7(b)）則略微向低角度位置偏移。這是因?yàn)镸oS2體相材料在剝離之后，MoS2納米片的晶面間距離增大[45]。而MoS2/PVA-30 復(fù)合膜的TiO2結(jié)晶度峰值出現(xiàn)在27.6°的位置，這與TiO2-CHF 基膜峰值的位置相同（圖7(b)），說明MoS2/PVA分散液對TiO2的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)沒有造成任何影響。

圖3 PVA 膜（a1，a2），MoS2 膜（b1，b2），MoS2/PVA-30 復(fù)合膜（c1，c2）和MoS2/PVA-60 復(fù)合膜（d1，d2）的外表面（上）和橫截面（下）的SEM 圖像Fig. 3 SEM images of outer surface (up) and cross-section (down) of PVA membrane (a1, a2), MoS2 membrane (b1, b2), MoS2/PVA-30 composite membrane (c1, c2) and MoS2/PVA-60 composite membrane (d1, d2)

圖4 TiO2-CHF (a)、MoS2/PVA-30(b)和MoS2/PVA-60(c)復(fù)合膜的AFM 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖和表面粗糙度Fig. 4 AFM topological structure diagram and surface roughness of TiO2-CHF (a), MoS2/PVA-30 (b) and MoS2/PVA-60 (c) composite membrane

2.2.4 親水性 不同類型膜的水滴和WCA 圖像如圖8 所示。從測量結(jié)果來看，TiO2-CHF 基膜的WCA 為20°，這是由于TiO2表面存在羥基[34]，使其具有較強(qiáng)的親水性。PVA 膜的WCA 為55°，MoS2膜的WCA 為69°，MoS2/PVA-30 復(fù)合膜的WCA 為64°。上述結(jié)果說明MoS2納米片的親水性較弱，PVA 親水性較強(qiáng)，使得MoS2/PVA 選擇性層的親水性略有提高。

2.3 MoS2/PVA 復(fù)合膜的滲透汽化性能

分別在50 ℃和70 ℃ 下對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的IPA 水溶液中PVA 膜和MoS2/PVA-30 復(fù)合膜的滲透汽化性能進(jìn)行測試，結(jié)果如圖9 所示。

圖5 MoS2/PVA-30 復(fù)合膜表面的EDS 元素分布圖像 （a）；PVA 膜和MoS2/PVA-30 復(fù)合膜表面的XPS 譜圖 （b）Fig. 5 EDS element distribution image of MoS2/PVA-30 composite membrane surface (a); XPS spectra of PVA membrane and MoS2/PVA-30 composite membrane surface (b)

圖6 PVA 膜（a）和 MoS2/PVA-30 復(fù)合膜 （b） C 1s 光譜的XPS 譜圖Fig. 6 XPS image of C 1s spectra for PVA membrane (a) and MoS2/PVA-30 composite membrane (b)

圖7 MoS2 體相材料粉末 （a）、MoS2/PVA-30 復(fù)合膜 和TiO2-CHF 膜（b）的XRD 圖譜Fig. 7 XRD patterns of bulk MoS2 (a), MoS2/PVA-30 composite membrane and TiO2-CHF membrane (b)

圖8 TiO2-CHF 膜 （a）、PVA 膜 （b）、MoS2 膜 （c） 和MoS2/PVA-30 復(fù)合膜 （d） 的水滴和WCA 的圖像Fig. 8 Image of water droplet and WCA degree of TiO2-CHF membrane (a), PVA membrane (b), MoS2 membrane (c) and MoS2/PVA-30 composite membrane (d)

圖9 PVA 膜和MoS2/PVA-30 復(fù)合膜在50 ℃ 和70 ℃下的滲透汽化性能Fig. 9 Pervaporation performance of PVA membrane and MoS2/PVA-30 composite membrane at 50 ℃ and 70 ℃

PVA 膜在50 ℃下的滲透通量和分離因子分別為4 275 g/（m2·h）和6，而在相同條件下制備并測試的MoS2/PVA-30 復(fù)合膜的滲透通量和分離因子分別為486 g/（m2·h）和445，說明MoS2/PVA-30 復(fù)合膜形成了更加致密的選擇性分離層，使得復(fù)合膜的滲透通量顯著降低，而MoS2納米片在增大擴(kuò)散傳輸阻力的同時(shí)也大幅提高了分離因子[25,28]。當(dāng)測試溫度從50 ℃提高到70 ℃時(shí)，MoS2/PVA-30 復(fù)合膜的滲透通量上升，但是分離因子隨之下降。這是由于滲透通量會隨著進(jìn)料組分壓力的增加而增加[28]，而在較高溫度下膜分離層中的自由體積會增大，從而導(dǎo)致膜選擇性的降低及滲透通量的增加。

為了探究選擇性層的厚度對膜分離性能的影響，在不同抽濾時(shí)間下制備出不同厚度的MoS2/PVA復(fù)合膜，并分別在50 ℃和70 ℃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的IPA 溶液中進(jìn)行測試，結(jié)果如圖10 所示。當(dāng)t≤30 min 時(shí)，隨著選擇性層厚度的增加，分離因子顯著增加，滲透通量則隨之降低。但是，當(dāng)t＞30 min 時(shí)，呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，即分離因子逐漸降低而滲透通量顯著提高。這是由于膜表面上MoS2納米片的過度負(fù)載導(dǎo)致MoS2納米片的團(tuán)聚，從而導(dǎo)致MoS2/PVA復(fù)合膜的選擇性層出現(xiàn)了缺陷[28]。由圖3(d1)也可以明顯看出這些缺陷嚴(yán)重破壞了膜的分離性能。

對比圖10(a)、10(b)可以看出，抽濾時(shí)間一定情況下，當(dāng)溫度從50 ℃升至70 ℃時(shí)，MoS2/PVA復(fù)合膜的滲透通量進(jìn)一步提高但分離因子總體上有所下降。這是由于溫度升高引起進(jìn)料分子動能增加導(dǎo)致滲透通量提高[46]，在較高溫度下選擇性層中的自由體積增大會導(dǎo)致分離因子降低。

圖10 在不同抽濾時(shí)間下制備的MoS2/PVA 復(fù)合膜的滲透汽化性能Fig. 10 Pervaporation performance of MoS2/PVA composite membrane prepared under different suction time

為了測試IPA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對MoS2/PVA 復(fù)合膜分離性能的影響，采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的IPA 溶液作為進(jìn)料液進(jìn)行測試。在50 ℃和70 ℃下，MoS2/PVA-30復(fù)合膜對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的IPA 溶液的分離性能如圖11 所示。可以看出，滲透通量隨著進(jìn)料中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低而降低。這是因?yàn)檫M(jìn)料液中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)高時(shí)，不僅膜表面更多地與水分子接觸，而且易導(dǎo)致選擇性層的溶脹，從而導(dǎo)致滲透通量的增加。當(dāng)IPA 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于80%時(shí)，MoS2/PVA-30 復(fù)合膜的分離因子隨著IPA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，這是因?yàn)樵谒|(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)膜不易溶脹，因而分離因子提高。但是當(dāng)IPA 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到90%時(shí)，分離因子顯著降低。比較圖11(a)和圖11(b)可以看出，70 ℃時(shí)復(fù)合膜的滲透通量顯著高于相同條件下50 ℃時(shí)的滲透通量，這是因?yàn)樵谳^高溫度下，膜的滲透汽化性能受進(jìn)料組分的動能增加和聚合物鏈中自由體積增加的影響[46]。

為了進(jìn)一步探究操作溫度對MoS2/PVA 復(fù)合膜的滲透汽化性能的影響，分別在IPA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%和90%時(shí)，對MoS2/PVA-30 復(fù)合膜在不同進(jìn)料溫度下的分離性能進(jìn)行測試，結(jié)果如圖12 所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，MoS2/PVA-30 復(fù)合膜的滲透汽化性能隨操作溫度的升高而顯著提高，這歸因于動能的提升[47]。然而，膜的分離性能隨著操作溫度的升高出現(xiàn)波動。當(dāng)操作溫度較低（40 ℃）時(shí)，分離因子也較低，這是由于此時(shí)水分子的擴(kuò)散性較慢；當(dāng)溫度升高到50 ℃時(shí)，水分子的擴(kuò)散性增強(qiáng)，分離因子顯著提高；進(jìn)一步提高操作溫度至60 ℃和70 ℃，分離因子又有所降低，這是由于較高的溫度使得選擇性層的自由體積增大，從而導(dǎo)致更多的IPA 分子透過。可以看出，當(dāng)MoS2/PVA-30 復(fù)合膜用于處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%和90%的IPA 水溶液時(shí)，最佳進(jìn)料溫度為50 ℃。

穩(wěn)定性是決定膜能否得到實(shí)際應(yīng)用的最為重要的因素之一，因此，對MoS2/PVA-30 復(fù)合膜的穩(wěn)定性進(jìn)行測試，進(jìn)料液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的IPA 水溶液，在50 ℃下對MoS2/PVA-30 復(fù)合膜連續(xù)測試70 h 以上，結(jié)果如圖13 所示，由圖可見在整個測試周期內(nèi)，滲透通量和滲透液中的水質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持穩(wěn)定，證明該膜具有穩(wěn)定的分離性能。

圖11 MoS2/PVA-30 復(fù)合膜在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的IPA 溶液下的滲透汽化性能Fig. 11 Pervaporation performance of MoS2/PVA-30 composite membrane at different mass fractions of IPA solution

圖12 MoS2/PVA-30 復(fù)合膜在不同操作溫度下的滲透汽化性能Fig. 12 Pervaporation performance of MoS2/PVA-30 composite membrane at differernt operating temperatures

圖13 MoS2/PVA-30 復(fù)合膜的穩(wěn)定性（w（IPA）=90%，50 ℃）Fig. 13 Stability of MoS2/PVA-30 membrane (w(IPA)=90%,50 ℃)

3 結(jié) 論

（1）通過在具有不規(guī)則大孔結(jié)構(gòu)的CHF 基膜上引入TiO2，可顯著降低基膜的孔徑和粗糙度，增強(qiáng)親水性，使得MoS2/PVA 選擇性分離層能被成功地構(gòu)筑在TiO2-CHF 基膜上。

（2）SEM、AFM、XPS、XRD 和WCA 等表征測試結(jié)果顯示MoS2/PVA 復(fù)合膜的微觀結(jié)構(gòu)形貌可調(diào)控，具有致密、連續(xù)、無缺陷的光滑分離層，且復(fù)合膜分離層的厚度能通過抽濾時(shí)間來調(diào)控，以滿足不同服役環(huán)境的需要；當(dāng)抽濾時(shí)間為30 min 時(shí)，MoS2/PVA復(fù)合膜的滲透汽化性能達(dá)到最優(yōu)，繼續(xù)增加選擇性層的厚度會導(dǎo)致缺陷的出現(xiàn)。

（3）MoS2納米片的存在可有效提升滲透汽化復(fù)合膜的分離性能，在50 ℃下處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的IPA進(jìn)料液，MoS2/PVA-30 復(fù)合膜的滲透通量和分離因子分別可達(dá)486 g/(m2·h)和445。