油/水乳液分离膜的制备及其分离性能和膜污染关键问题研究

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随着工业和社会的发展,大量工业含油废水和民用污水被排放,以及海上石油泄露等海洋污染事件频发,对环境和人类健康造成了很大的影响。含油污水大致可以分为分层的油水混合物和油水乳液两种。后者粒径更小、更稳定,因而比前者更难分离,尤其是对表面活性剂稳定的、粒径小于20μm的油水乳液的分离已成为一个巨大的挑战。基于此,本论文利用紫外光接枝技术对聚合物微滤膜进行改性,研究其油水乳液分离性能,并对影响分离效率和膜污染的关键因素做了系统研究。具体内容如下:1.制备亲水、水下疏油聚四氟乙烯(PTFE)微滤膜,并调控膜的表面能和孔径,优化油水乳油分离的性能。通过紫外光接枝技术在不同孔径的PTFE膜表面接枝聚甲基丙烯酸聚乙二醇酯(pOEGMA),获得的膜具有较高的亲水和水下疏油性。不含表面活性剂的油水乳液的分离结果表明,高水下疏油性表面和合适孔径是PTFE膜具有良好分离性能的关键因素。优化后的膜具有高的分离效率(接近100%)和较高的通量(1500 L·m-2·h-1)。由于pOEGMA分子的亲水性,膜的抗污染能力强,重复使用10次,仍然保持较高的分离性能。2.考察膜表面电荷对油水乳液分离及膜抗污染能力的影响规律。采用PP微滤膜作为基材,通过紫外光接枝技术分别接枝聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(pDMAEMA)和pOEGMA。在水(弱酸性)中,pDMAEMA分子中叔氨基质子化而使膜带强正电荷,pOEGMA分子含有大量的羟基而使膜显强负电荷;分别用阴离子型、非离子型、阳离子型表面活性剂制备带电性质不同的乳液。分别研究两种膜对三种乳液的分离效果,并对膜界面上的乳化油滴的破乳机制进行了探讨。发现pDMAEMA改性膜因为强的界面破乳作用而具分离效率最高;当分离与膜带相同电荷的乳液时,膜的抗污染性能最好。3.基于上一章的研究结果,进一步利用pDMAEMA的pH响应性,制备表面电荷可翻转的分离膜,用于长效油水分离。pDMAEMA改性膜在水中应用时带正电荷;在pH=9的环境下,pDMAEMA去质子化,并由于基底上的聚多巴胺层而显负电。考察了活性染料和阴离子型表面活性剂在膜表面的吸附和脱附情况。结果表明碱液处理后膜上吸附的污染物脱附率在90%以上,重复5次后脱附率仍然较高。该材料在分离油水乳液时分离效率保持在90%以上,使用后用碱液清洗,通量恢复率接近100%。因此,本文获得了一种即具有高分离效率又能长期抗污染的分离膜,为长效、稳定的乳液分离膜的设计和制备提供新的思路和方法指导。
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