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超滤作为一种新型的分离技术,在水处理领域越来越引入注目。超滤膜是超滤分离过程的核心,然而由于膜污染引起的膜通量下降,膜两侧压差逐渐增大,清洗和维护费用增加,膜寿命下降,生产成本增加等诸多问题,使得膜污染已经成为制约超滤技术产业化应用的主要障碍。基于这种现状,本论文通过无机纳米材料TiO2对超滤膜进行改性,期望使膜表面具有一定的亲水性,在提高膜的超滤性能的同时,改善膜的抗污染性能。
本文选用聚醚酮(PEK)、聚醚砜(PES)、酚酞聚醚砜(PES-C)三种不同的高分子材料,加入不同含量的纳米TiO2,用浸没沉淀相转化法制备了一系列含纳米TiO2的复合膜,并通过扫描电子显微镜(SEM),X射线能谱仪(EDS),水接触角测试及超滤实验考察了纳米TiO2对膜的结构及性能的影响。结果表明:含纳米TiO2复合膜具有与超滤膜相似的非对称结构特征。但复合膜具有更薄的皮层,亚孔层具有更好的贯通性。纳米TiO2与高分子超滤膜的复合显著改善了膜的亲水性。在截留率较高且基本保持不变的情况下,三种超滤膜的纯水通量和牛血清白蛋白(BSA)溶液通量都得到了不同程度的提高。三种材料膜添加TiO2后,过滤BSA溶液通量的衰减均比不含TiO2的膜有一定程度改善,复合膜表现出一定的抗污染的潜能。而由EDS分析可知,复合膜经过一定的过滤时间,膜表面的TiO2会部分脱落。本研究选用的三种材料中,TiO2粒子与PES-C膜表面结合较为牢固,且复合后BSA溶液通量的增幅最大,通量衰减较小,具有更好的膜结构和性能。
在此基础上,本论文还系统地研究了溶剂种类、TiO2添加量等条件对TiO2/PES-C膜结构与性能的影响。结果表明,以DMAc为溶剂时液-液分层速度较慢,得到的超滤膜在添加TiO2前后透过性能均较好,截留率高。与不含纳米TiO2的PES-C膜相比,含TiO2的TiO2/PES-C复合膜的超滤性能、亲水性和抗蛋白污染性都有了显著的改善。当TiO2添加量小于3wt%时,膜表面Ti元素的含量随着TiO2添加量的增加而增加,其透过性能和抗污染性能也在提高,纳米TiO2/PES-C复合膜具有不对称的断面结构和致密的皮层,亚孔层具有更好的贯通性;当TiO2添加量超过5wt%时,表面明显分布有大量小孔,其断面结构则表现为皮层变厚,亚孔层消失,只存在指状大孔结构,同时膜的透过性能有所降低。在膜的抗污染试验中,通过牛血清白蛋白溶液连续运行和接触角测定实验表明,TiO2的加入有助于减缓膜在运行过程中通量的衰减,增强了膜的抗蛋白污染性和亲水性。当TiO2水溶液添加量为3wt%时,TiO2/PES-C复合膜的通量达到最大,亲水性最好,且具有较好的抗蛋白污染性。