论文部分内容阅读
微滤是基于筛分作用去除液相和气相中微米级污染物(如微粒、细菌等)以实现流体净化的主流膜分离技术之一。微滤膜是微滤技术的核心,现有微滤膜有多种类别,其中纤维素基微滤膜(醋酸纤维素、硝酸纤维素、混合纤维素等)以其高度亲水性、优良渗透性、耐污染性以及材料的安全和环保等特性,在微滤膜品类中占有较高的份额。然而,目前纤维素基微滤膜多为海绵状网络孔结构,耐压强度较差;另外,用以制膜的纤维素多来自天然植物,该类材料易被微生物附着产生污染层,导致纤维素基微滤膜的渗透性能下降。因此,为进一步提高纤维素基微滤膜在分离领域的应用性,亟需解决纤维素基膜耐压强度低,且易被微生物污染的问题。本论文以醋酸纤维素-硝酸纤维素(CA-CN)微滤膜为研究对象,基于纳米材料易与高分子共混制备无缺陷分离膜的特点,利用易形成空间网状结构从而加强有机材料力学性能的二氧化硅纳米颗粒(SiO2 NPs)和具有抑菌性能的单质银纳米颗粒(Ag NPs)为掺杂剂,通过溶剂蒸发相转化法分别制备具有较佳耐压性能和抗微生物污染性能的CA-CN微滤膜,具体研究内容如下:(1)制膜条件对膜结构和性能影响的研究。溶剂蒸发相转化法制膜过程中环境的温度和湿度条件对膜的形貌和结构有着较大的影响,通过考察不同温度和湿度条件下膜的孔结构和渗透性的匹配关系,确定最佳的温湿度制膜条件,制备出性能较佳的CA-CN微滤膜。结果表明,环境温度升高CA-CN滤膜的孔道变小(起泡点增大,水通量下降),而湿度的增大更倾向于使孔道变大,且其对孔结构影响的效果较弱;经过对比研究,确定最佳的相转化温湿度条件:温度为20-25℃,湿度为50-60%,并以此作为后续膜制备的环境条件。另外,采用促生长、微生物回收和抑菌圈三种方法测试了 CA-CN微滤膜对微生物的抑制能力,发现CA-CN微滤膜未表现出微生物抑制性能。(2)基于SiO2 NPs掺杂的耐压型CA-CN微滤膜的研究。针对纤维素膜抗压能力较低的问题,通过掺杂能形成三维网状结构以提升有机材料强度的SiO2NPs,实现CA-CN微滤膜耐压性能的提升。研究结果表明,SiO2 NPs能够较好的分散在以丙酮为溶剂的铸膜液中;滤膜的抗压强度随着SiO2 NPs的添加一开始略有下降,达到0.5%wt之后滤膜抗压强度明显增强。另外,随着SiO2 NPs含量的提高,膜的亲水性提升;流量先降后升再回落到低于CA-CN原膜,在含量为0.1%wt时最高;起泡点和流量趋势相反,在SiO2 NPs含量为0.1%wt时起泡点最低;孔隙率先增加后减小,含量为0.1%wt时孔隙率最大。膜表面的SEM图显示,添加0.05-1%wt SiO2 NPs,SiO2 NPs和膜纤维紧密结合,滤膜表层孔径有增大的情况,但是膜的表面结构仍然保持均一。结合上述实验结果,认为添加不少于0.5%wt SiO2 NPs的CA-CN滤膜的抗压性能有明显提升。(3)基于Ag NPs掺杂的耐微生物污染CA-CN微滤膜的研究。针对CA-CN微滤膜耐生物污染性能较差的问题,采用掺杂具有广谱杀菌功能的Ag NPs的方法,制备出耐生物污染型CA-CN微滤膜。研究结果表明,基于Ag NPs掺杂的耐生物污染CA-CN微滤膜表现出一定的耐生物污染性能:a)促生长研究表明含有Ag NPs 0.2%wt的滤膜对五种实验微生物中的一种表现出了轻度抑制,含量为0.4%wt的滤膜对其中两种表现出了抑制效果;b)微生物回收研究表明当Ag NPs的参杂量超过0.1%wt时,微滤膜对五种实验微生物中的四种表现出了抑制效果;c)抑菌圈研究发现含Ag NPs的滤膜对滤膜范围外微生物没有表现出的抑制能力;d)表面抑菌性研究则发现,添加Ag NPs虽然对滤膜外的微生物无法产生抑制,但滤膜本身获得了抑菌效果,抑菌效果随着Ag NPs含量的增加而提升。此外,Ag NPs在铸膜液中的分散后未对膜表面的孔道结构产生明显影响。因此,通过掺杂Ag NPs可以在保证膜较佳渗透性能的前提下,实现滤膜耐微生物污染性能的有效提升。综上所述,本文通过掺杂功能性的纳米颗粒,解决CA-CN纤维素膜耐压强度弱和抗生物污染性能不佳的问题,为保障CA-CN膜在实际分离过程中的长效运行提供了可行的思路与方法。