NVP接枝改性聚丙烯纤维膜吸附有机微污染物及其原理探究

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随着工农业及消费品市场的迅猛发展,有机微污染物(OMPs)在全球范围内的水源中被频繁检测到。在众多的OMPs中,内分泌干扰物(EDCs)占据相当一部分,其中有机原料双酚A(BPA)和增塑剂邻苯二甲酸酯类(PAEs)污染物因塑料制品的滥用而对环境造成了严重影响。尽管天然水环境中EDCs的浓度仅为痕量水平,但是它们可以在生物体内富集而造成诸多严重的疾病。近年来,吸附法被认为是最有潜力去除水中EDCs的方法。吸附膜作为一类自支撑式吸附剂,结合了吸附材料和分离膜的优势,具有成本低、易再生回收、通量大、传质阻力低等优点,具有大规模应用的潜力。然而,用于水处理的吸附膜存在吸附容量偏低,痕量EDCs去除效果不佳,抗污性能差等问题。特别是具有抗污性能的吸附膜鲜见报道,制约了吸附膜在复杂水环境中的应用。为了使吸附膜兼具高吸附量和抗污性能,本研究以疏水的聚丙烯纤维膜(PPM)为基材,以N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)为功能单体,进行紫外光引发表面接枝聚合,制备聚(N-乙烯基吡咯烷酮)(PNVP)改性的吸附膜(PVPM),并将其应用于去除水中EDCs。主要内容如下:1、通过紫外接枝的方法,将NVP接枝在PPM基材表面,获得PNVP改性的吸附膜(PVPM)。PVPM显示优异的水透过性和超高的水通量,在液柱重力压降下(~1.4 k Pa)下单层PNVP膜的水通量达50000 L/(m~2h),是PPM基膜通量的10倍。2、以BPA为代表性污染物,研究证实了不同水流量、离子强度以及污染物的初始浓度对PVPM的吸附性能没有明显影响。通过连续流穿实验探究了PVPM的广谱吸附性能,发现PVPM可有效吸附水环境中的多种OMPs。研究了PVPM对高浓度以及痕量浓度BPA的吸附性能,PVPM对高浓度和痕量浓度BPA的去除效率是未改性的PPM和常用聚醚砜(PES)、尼龙(PA)、聚四氟乙烯(PTFE)膜的3-50倍。考察了PVPM对典型的痕量浓度(10μg/L)PAEs的吸附性能,即使在1270 L/(m~2h)的水通量下,其对痕量EDCs的去除率仍在95%以上。探究了亲水改性膜、疏水改性膜以及两亲改性膜的抗污和吸附性能,进而阐明PVPM的抗污机理,解决了疏水相互作用和抗污性能之间难以权衡的问题。3、利用动力学模型和吸附等温模型拟合了PVPM的吸附行为。PVPM的吸附过程符合拟二级动力学模型和Freundlich等温模型,证明吸附过程不是单层吸附。探究了温度、水相p H值和污染物疏水性对PVPM吸附行为的影响,提出PVPM吸附行为是PNVP接枝链疏水相互作用和氢键协同驱动的。利用不同亲疏水膜基材制备了改性膜并考察其对BPA的吸附,发现PPM基底提供的纤维尺度疏水相互作用是PVPM具有优异吸附过程中所需的不可忽视的基本吸附驱动力。基于吸附和抗污的结果提出了通过构建双尺度疏水相互作用,制备具有优异吸附和防污性能的吸附膜的新策略。4、探究了PVPM在不同水环境中的应用。PVPM对用纯水、自来水以及河水配制的含BPA水样及多组分混合污染物水样中污染物的去除率均保持在90%以上。PVPM对河水配制的10μg/L的PAEs的去除率保持在95%以上。PVPM在河水环境中经过10次吸附/洗脱循环后,吸附性未见显著变化。通过吸附膜FTIR及XPS的分析表征进一步揭示了PVPM优异的循环稳定性及化学稳定性,展现了PVPM的超强耐用性。
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