无机粉体改性PVDF超滤膜制备及膜污染机理的研究

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本实验选择聚偏氟乙烯(PVDF)为膜材料,进行PVDF超滤膜的研制及其性能研究。用三种纳米无机粉体材料(TiO2,Al2O3,SiO2)对超滤膜进行共混改性,比较改性前后的超滤膜抗蛋白质污染的效果。用反相气相色谱(IGC)测定纳米无机粉体、PVDF以及蛋白质(BSA)的表面性质,并用表面张力组成理论分析超滤膜的抗污染机理。实验采用相转化法制膜,首先研究了溶剂选择、聚合物浓度、预蒸发时间、凝固浴温度、纳米无机粉体的含量等条件对膜性能的影响,确定了适宜的制膜条件,即溶剂为二甲基乙酰胺(DMAc),聚合物浓度为17wt.%,纳米无机粉体含量为0.05g,预蒸发时间为5s,凝固浴温度为10℃。用扫描电镜(SEM)分析超滤膜结构的变化,发现无机粉体添加并没有明显影响到超滤膜的结构。通过纯水通量衰减的大小,衡量超滤膜抗蛋白质污染能力,发现共混超滤膜与纯PVDF超滤膜的抗蛋白质污染能力从大到小依次为PVDF+TiO2>PVDF+Al2O3>PVDF+SiO2>纯PVDF。利用表面张力组成理论来分析材料与蛋白质间的分子间作用,从构成表面张力的范德华作用(LW)和酸碱作用(AB)两方面进行研究。结果表明:对于LW作用,LW作用力越小,材料越容易被污染。PVDF与BSA之间的LW作用力明显小于无机粉体与BSA之间的LW作用力,添加无机粉体的共混超滤膜增强了与BSA之间的LW作用力,提高了超滤膜抗蛋白质污染的能力。理论计算的规律性也与上述蛋白质污染实验的结果完全符合,材料与BSA之间的LW作用力规律为rLW(TiO2-BSA)>rLW(Al2O3-BSA)>rLW(SiO2-BSA)>rLW(PVDF-BSA)。对于AB作用,相互作用参数(Isp)越大,材料越容易被污染。三种纳米无机材料与BSA的Isp有以下规律:Isp(TiO2-BSA)<Isp(Al2O3-BSA)<Isp(SiO2-BSA),可以解释膜污染实验中共混超滤膜的实验结果。PVDF与BSA的Isp比无机粉体材料与BSA的Isp略小,但从表面张力组成理论的整体角度来研究分子间的作用,还要考虑LW作用力的贡献综合分析。
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