静电纺PVDF及其改性纳米纤维膜对含油污水的过滤性能研究

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水污染、大气污染和噪声污染被称为当今世界的三大公害,含油污水是水污染的一种,其对人体健康和生态环境均有很大的危害。静电纺丝技术是一种最简单易行的制备纳米纤维的方法,被广泛的应用在过滤材料、生物医用、组织工程和复合材料方面。静电纺制备的纳米纤维膜在含油污水处理方面的应用广泛且颇受关注。因此,本文针对经常用于水处理的材料PVDF进行静电纺丝,制备纳米纤维,并对其进行三种方法的改性处理,测试改性过后的纳米纤维膜对含油污水的过滤效果并与普通商品膜进行对比,旨在突出静电纺纳米纤维膜在过滤应用方面的优势,对含油污水过滤材料的研究与应用有一定的借鉴与指导意义。首先,本文采用正交试验的方法,对影响PVDF纳米纤维直径分散系数的三个因素—PVDF溶液质量分数、施加电压和接收距离进行正交设计,通过扫描电镜(SEM)对不同情况下得到的PVDF纳米纤维的形态观察,以及绘制的直径分布直方图,并结合正交试验的直观分析和方差分析,确定PVDF溶液质量分数是影响纳米纤维分散系数的显著参数,并利用最终优化的工艺参数制备得到直径较小且分布均匀的PVDF纳米纤维。其次,配置不同共混比下PVDF/PAN共混溶液,测量其粘度和电导率,结果显示,随着PAN比例的增加,粘度呈现下降的趋势,而电导率则与PAN的比例呈基本正相关的关系。制备不同共混比的静电纺PVDF/PAN纳米纤维膜,采用扫描电子显微镜分析膜的表面形态,并测试共混纤维膜的力学性能、亲水性、孔径及对自制乳化油污水的过滤效率。试验结果表明:随着PAN共混比例的增加,共混膜纤维直径减小;共混膜的断裂强力和断裂伸长率随着PAN的增加均而减小;共混膜的水接触角随PAN共混比例的增加呈明显下降趋势,下降幅度为30°,亲水性改善效果明显;共混膜的平均孔径范围为0.784~2.070μm;测得共混膜的纯水通量为4019~5340L/(m2·h),约是PVDF商品超滤膜的30倍;对乳化油的截留率最高达到95.31%,稍小于PVDF商品超滤膜的97%。再次,配制PVDF/TiO2聚合物溶液,对粘度和电导率进行测试,结果显示,随着TiO2质量分数的增加,粘度呈现指数增加的趋势,电导率呈现明显上升的趋势。制得的PVDF/TiO2纳米纤维,随着TiO2质量分数的增加,SEM图显示直径呈增加的趋势。力学性能测试结果显示,随着TiO2质量分数的增加,断裂强力和断裂伸长先增加后降低;接触角和纯水通量测试结果显示随着TiO2质量分数的增加,接触角下降,140.98°下降到106.67°,下降幅度比较明显,纯水通量则显示上升趋势,最高达到4550L/(m2·h),约是商品膜的25倍;抗污染性能测试结果显示,随着TiO2质量分数的增加,通量衰减率下降,抗污染性能增强。最后,在PVDF膜表面进行戊二醛(GA)和聚乙烯醇(PVA)的部分交联反应,引入羟基等亲水基团,改善膜的亲水性。对PVDF溶液质量分数、交联温度和交联时间三个交联条件进行设计,最终找到最优的交联参数—PVDF质量分数1%、交联温度50℃、交联时间为4.5h,制得的改性纳米纤维膜的纯水通量达到4280L/(m2·h),乳化油截留率为91.5%,比未交联的PVDF膜水通量提高,又保证了一定的截留效果。
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