PVDF超滤膜极性晶型调控及其抗污染行为研究

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聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)因其优异的物化特性而被广泛用于超滤膜制备。但在实际水处理过程中,PVDF超滤膜的污染现象严重阻碍了其进一步的发展和应用。近年来,虽然PVDF超滤膜的抗污染改性引起了广泛关注,但PVDF晶型结构对膜材料表面特性及其抗污染行为的影响却鲜有提及。本文通过双亲性将Pluronic F127(F127)原位共混与Na Cl凝固浴有机结合,提出了一种能够实现PVDF膜结晶结构与膜孔结构同步调控的制备方法,并进一步研究了PVDF极性结晶结构在膜污染控制方面的作用机理。首先,实验以聚合物“离子-偶极”效应为理论基础,证实增加凝固浴离子强度(即NaCl溶液凝固浴)可实现相转化过程中PVDF微晶结构的诱导极化,进而大幅提升膜材料中极性β-PVDF晶相占比;同时,实验发现当使用NaCl凝固浴时,还可增强相转化过程中双亲性F127共混添加剂与PVDF分子链段之间的相互作用,进而实现对PVDF膜平均孔径尺寸、孔隙率以及孔径分布的有效调控,最终显著提升膜材料的通量和截留性能。其次,本文通过制备两种具有相似孔径结构但不同晶型结构的PVDF超滤膜,进一步探究了PVDF晶型对膜污染行为的影响机理。通过腐殖酸、牛血清蛋白、葡聚糖及三者混合液污染实验发现,PVDF晶型与膜面物化特性以及膜材料抗污染性能之间存在显著的关联关系,其中极性β-PVDF晶相较非极性α-PVDF晶相具备更为优异的抗污染性能。同时,基于原子力显微镜(AFM)的界面作用力测试结果以及表面能计算结果均表明,相较于α-PVDF超滤膜(γAB-=3.3 m J/m2),β-PVDF超滤膜较为优异的抗污染性能可归因于其表明具有更强的供电子能力(γAB-=25.3 m J/m2),导致后者与污染物分子之间的粘附力显著降低。最后,针对混合液污染实验,本文还利用变角红外光谱仪和紫外分光光度计,分别测定了不同PVDF超滤膜表面污染层的梯度结构以及膜孔内污染物的组成。实验结果表明,膜与污染物之间的相互作用能够显著改变膜污染进程及污染层结构,最终深刻影响膜污染方式及不可逆污染阻力变化。
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