基于茶多酚的聚偏氟乙烯膜表面改性及性能的研究

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近年来,聚偏氟乙烯(PVDF)以其高机械性能、化学稳定性和热稳定性等特点而被广泛用于水处理膜材料。但是,其高疏水性会使分离膜进行水处理时遇到两个重要的问题:一方面,水在穿过疏水性PVDF膜时需要较大的跨膜液压,这不仅会消耗更多的能量,还会降低膜的使用寿命;另一方面,疏水的PVDF膜会使一些有机物质和胶体物质沉积在膜表面,造成污染,导致水通量的急剧下降,影响膜的效率。因此,需对PVDF膜进行亲水化改性。本文使用茶多酚为主要的亲水改性材料,通过简单的浸泡涂覆法实现了对疏水PVDF膜的表面亲水化改性。茶多酚中含有大量的邻苯二酚/邻苯三酚基团,可以牢固的粘附在膜表面并赋予膜很多优异的性质。本文研究内容主要包含以下两个方面:首先,让茶多酚在弱碱的条件下自聚合,并沉积在PVDF膜上形成茶多酚改性涂层。通过紫外可见光谱(UV-vis)研究了茶多酚聚合沉积的机理。通过衰减全反射傅立叶红外光谱(ATR-FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)确定了膜表面茶多酚涂层的存在。通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)和原子力显微镜(AFM)观察了涂层的微观形貌。研究表明,在涂覆茶多酚以后,PVDF膜表面可以实现从疏水到亲水的转化。分析了茶叶用量、溶液p H值以及改性时间对膜性能的影响。在最优条件下,改性膜的水通量和乳液截留率分别达到了13159L·m-2·h-1和98.9%,并且其水通量回复率甚至达到了99.7%。此外,在引入钛离子与茶多酚形成酚-钛交联网络后,茶多酚涂层的稳定性得到了极大的提高,可以在强酸、强碱、高浓度盐以及超声环境下正常使用。在此基础上,选用了硅溶胶作为第二组分,与茶多酚一起共沉积改性PVDF膜,以实现对PVDF膜表面的超亲水化改性。通过XPS确定了改性膜表面茶多酚以及二氧化硅的存在。通过FESEM和X射线荧光光谱观察了改性膜的表面以及横截面的形貌和改性涂层的分布情况。在以上测试结果的基础上,分析了茶多酚/二氧化硅涂层如何提高改性膜的性能。与茶多酚单独改性的膜相比,在引入二氧化硅后,改性膜的亲水性和抗油性得到了进一步的提高,其纯水通量和水下油接触角甚至达到了15353 L·m-2·h-1和160°,并且可以处理由不同类型乳化剂制备而成的乳液。茶多酚/二氧化硅复合涂层的稳定性也十分优异,可耐受不同类型的溶液冲刷并保持其出色的抗油性。
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