TiO2/PVDF-g-PEGMA/PVDF膜的制备与性能研究

来源 :沈阳建筑大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yuesiyi
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聚偏氟乙烯(PVDF)由于其优异的可加工性、耐化学腐蚀性、耐磨性、热稳定性以及突出的机械强度而成为流行的膜材料之一,广泛应用于饮用水与废水处理领域中。但是PVDF因为表面能很低而具有极强的疏水性,这使得PVDF膜在应用过程不仅需要较高的过膜压力,而且会导致一些疏水性的污染物吸附在膜表面造成严重的膜污染。并且纯PVDF膜表面结构较致密孔径以及孔隙率较低,造成了水通量极为不理想。因此通过改善膜表面的亲水性以增强膜的抗污染能力和提高膜的通量是PVDF膜改性技术的一个研究重点。本研究选择能够明显改善膜亲水性和纯水通量的两亲性聚合物PVDF-g-PEGMA作为共混膜的添加剂。首先选择乙醇溶液作为非溶剂凝固浴,研究了凝固浴中乙醇的含量对于PVDF-g-PEGMA/PVDF膜表面组成、膜孔大小、膜渗透、截留和抗污染能力性能的影响规律;然后选择锐钛矿型的纳米TiO2颗粒作为额外的共混添加剂,制备出了TiO2/PVDF-g-PEGMA/PVDF膜,研究了纳米TiO2含量对于膜表结构、膜孔大小、过滤性能和抗污染能力的影响。最后,利用所制备的TiO2/PVDF-g-PEGMA/PVDF膜进行了处理油水混合乳化液的试验,探究本研究所制备的改性膜在油水分离方面的性能和工业潜力。通过以上实验本研究得出以下主要结论:(1)低比重乙醇溶液作为凝固浴有助于PVDF-g-PEGMA在成膜过程中向表面跃迁。但在凝固浴中乙醇含量过多时会导致膜表面带有亲水基团的PVDF-g-PEGMA富集率下降,固随着凝固浴中乙醇含量增多膜表面亲水性有一定程度的下降。PVDF-g-PEGMA作为共混添加剂会使膜内部的PVDF分子倾向于形成β晶型分子。当乙醇混入到凝固浴中后,随着乙醇含量的增多PVDF膜内部极性β晶型分子变少,非极性的α晶型分子增多。通过对膜表面形貌检测结果可知,随着凝固浴中乙醇含量的增加膜表面平均孔径和孔隙率增大,同时也会增大膜表面粗糙度。改变乙醇凝固浴中乙醇含量可以改变膜的孔径大小及分布,从而可以改善PVDF-g-PEGMA/PVDF膜的渗透性能。在低过膜压力(1Opsi)条件下,纯水凝固浴中形成的膜水通量为1843.65 L/(m2·h),10%、20%、30%乙醇质量分数的凝固浴中形成的膜平均纯水通量分别为2774.61、4391.88、5142.35 L/(m2·h)。虽然增加凝固浴中乙醇含量可提高纯水通量,但是过大的孔径会造成膜截留性能变差,并且会增大膜的不可逆污染使得纯水通量恢复率较低。其中30%乙醇含量凝固浴形成的膜对海藻酸钠(SA)截留率仅有54.46%,清洗后纯水通量恢复率仅为56.85%。综合考虑在质量分数为10%乙醇凝固浴形成的膜性能最佳,纯水通量为2774.61L/(m2·h),BSA吸附量为32.3μg/cm2,SA截留率为86.44%,清洗后纯水通量恢复率为78.81%。(2)TiO2颗粒没有在相转化过程后偏析到TiO2/PVDF-g-PEGMA/PVDF膜表面。并且TiO2含量的增加会导致PVDF-g-PEGMA在膜表面的富集量下降。对膜内部分子晶型和元素的表征结果证实了膜中纳米TiO2的存在,说明TiO2颗粒成膜后停留在了 PVDF网状支撑层内。对膜表面形貌的检测结果表明TiO2含量对膜表面孔洞结构以及膜表面形貌影响较小,对膜孔洞和表面形貌起决定性作用的依然是PVDF-g-PEGMA。随着TiO2含量增多膜表面亲水性能会有一定程度的下降。TiO2的含量对膜纯水通量没有明显的影响,在10psi(0.07Mpa)的跨膜压力下,TiO2投加量从0%~3.5%所形成的膜通量分别为1727.04、1689.20、1771.97和1819.61 L/(m2·h)。但因TiO2颗粒分散在聚合物骨架中可起到支撑作用,可增加膜的抗压性延缓因膜被压密实所导致的纯水通量下降。同时根据过滤海藻酸钠(SA)后通量恢复情况测试结果可已看出投加适量的TiO2的可以明显的提升膜清洗后纯水通量恢复率,降低膜的不可逆污染。TiO2/PVDF-g-PEGMA/PVDF膜在紫外光照下会产生具有氧化性的羟基自由基,使膜具有自我清洁膜表面污染的潜力。当纳米TiO2投加量为2.5%时牛血清蛋白(BSA)吸附量为40.7μg/cm2,TiO2/PVDF-g-PEGMA/PVDF膜纯水通量为1771.97L/(m2·h),海藻酸钠(SA)截留率为92.06%,清洗后纯水通量恢复率为89.58%,表现出了优异的综合性能。(3)通过油水混合乳化液的过滤实验可以得出:在紫外光照射下的条件下TiO2/PVDF-g-PEGMA/PVDF膜在截留能力保持基本不变的情况下,膜可以保持较高的油水分离通量。并且相比于无紫外光条件下,在紫外光照射条下膜清洗后纯水通量恢复率明显提高。在不同纳米TiO2含量的改性膜中,TiO2比重到达2.5%时所制备的膜在紫外光照射条件下,平均纯水通量达到1732.81 L/(m2·h),油水分离1h后衰减率为43.64%,截留率为86.27%以及具有高达80.38%的清洗后纯水通量恢复率,综合性能表现最优,展现出了良好的油水分离工业应用潜力。
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