使用中温热交联反应改性PVDF分离膜耐腐蚀性及其性能研究

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近几十年来,经济的快速发展和工业化进程的加快,给人类社会带来了前所未有的进步,同时也造成了全世界范围的环境污染和自然资源枯竭的问题。膜技术由于其低能耗、设备简单、占地面积小及分离效率高等显著优势,迅猛发展,已经成为现今一种首选的分离工艺。常见的高分子聚合物膜材料如醋酸纤维素(CA),聚乙烯(PE),聚氯乙烯(PVC),聚偏氟乙烯(PVDF)等,虽然价格低廉,但具有较优的耐腐蚀性能有限(p H耐受范围为2~10),难以长期稳定地应用于酸性大、碱性高或含有机溶剂(如NMP、DMF)等腐蚀性工业废水的处理和净化。本研究的主要目的旨在探究经济有效的改善常规有机高分子聚合物膜的耐腐蚀性能的方法,研究以聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDGE)作为交联剂,在温和的温度及一定的湿度条件下通过热交联反应对PVDF平板膜及中空纤维膜进行改性,在其表面形成支化聚乙烯亚胺(b-PEI)层,以达到耐腐蚀的性能。研究中通过SEM、ATR-FTIR及XPS等分析手段表征了改性PVDF膜的表面特性,测试了机械强度、Zeta电位、接触角和纯水通量等指标对改性前后膜的性能进行了比较。并采用静态浸泡及动态过滤测试方法对膜的耐腐蚀性能进行了考察。首先以PVDF平板膜为基质膜,在温和的条件下(温度为65℃,湿度为95%),利用b-PEI与PEGDGE发生热交联反应,在PVDF膜表面形成交联防腐层得到改性PVDF膜。通过傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR),X射线光电子能谱(XPS)和扫描电镜(SEM)测试分析表征证明了交联防腐层在改性膜表面的形成。再将未改性和改性后的膜浸泡于不同浓度的腐蚀性溶液中测试,结果表明,随着在腐蚀性溶液中浸泡时间的增加,各种膜的性能均受到一定程度的影响。但与未改性膜相比,形成交联防腐层的改性膜的耐腐蚀性能明显得到了提高。例如,在20%的HCl溶液中浸泡150天后,改性膜M1:2的断裂强度下降率仅为10.6%,而原膜M0的下降率达28.9%;改性膜的纯水通量增长率和BSA截留下降率均小于未改性膜。改性膜尤其是M1:2在对1%的HCl溶液连续15天的动态过滤实验中表现出良好的耐酸稳定性,具有最低的通量变化率。其次,进一步以工业中常用的PVDF中空纤维膜作为基质膜,采用前述平板膜改性的最优反应配比为起点,对中空纤维膜的中温交联改性方法进行了进一步的优化,成功地使b-PEI和PEGDGE在中空纤维膜表面均匀地形成交联层结构,制备出了改性中空纤维膜。通过ATR-FTIR,SEM对改性膜进行表征,证明该热交联方法可以成功拓展应用于中空纤维膜的改性。短期的静态浸泡测试表明,改性中空纤维膜的耐酸性能有一定的提高。在20%的HCl溶液中浸泡5天后,未改性膜的质量下降率达11.3%,而改性膜M-1:2的质量下降率仅为5.2%。研究结果表明,使用本研究采用的较为温和的中温热交联反应,可有效地使b-PEI和PEGDGE在PVDF膜表面形成防腐层,大大改进常规PVDF膜的抗腐蚀能力。
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