PVDF超滤改性膜的性能评价及对典型污染物的抗污染性能研究

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以PVDF为膜主材的超滤膜目前在水处理领域应用较为广泛,但因其强疏水性使其在应用中受到限制。纳米SiO2由于其比表面积大,化学稳定性强,又与溶剂有良好的相容性,是一种良好的无机添加材料。聚乙烯醇(PVA)因其有良好的水溶性、成膜性和亲水性等特点,尤其亲水性,使其得到越来越多的关注。本文将纳米SiO2和PVA分别与PVDF共混改性,采用浸没沉淀相转化法制得了PVDF/SiO2超滤改性膜和PVDF/PVA超滤改性膜,从而提高PVDF膜的亲水性和抗污染性能。主要研究结论如下:(1)采用无机纳米SiO2和有机高分子PVA对PVDF纯膜进行亲水化共混改性。考察了SiO2含量在1-3%范围内和不同PVDF/PVA配比对PVDF超滤膜的渗透性能、强度、膜平均孔径及接触角的影响,采用扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)观察膜的表面、断面孔结构以及孔径变化。结果表明:对于PVDF/SiO2改性膜,SiO2含量为1%时,在保证了一定大小的强度和截留率情况下,膜水通量最高,此时膜性能结构相对较优;对于PVDF/PVA改性膜,当PVDF/PVA的质量比为8/2,膜性能结构相对较优。改性后的膜表面接触角降低,亲水性提高,强度增强,平均孔径增大,水通量提高。(2)以蛋白质(BSA)、腐殖酸(HA)和海藻酸钠(SA)等污水中常见的典型有机污染物和实际城市污水二级出水(EfOM)作为研究对象进行宏观抗污染实验,同时,通过探针修饰,运用原子力显微镜(AFM),定量测定了不同亲水性膜面与典型污染物之间的粘附力和不同过滤阶段膜面与污染物之间的粘附力,从微观作用力角度结合宏观膜污染试验的通量衰减、通量恢复率分析了改性膜的抗污染原因。膜与四种污染物的宏观过滤实验数据表明:改性后膜的通量衰减率和通量恢复率都有一定的提高,说明改性后膜的抗污染性能提高。膜与污染物之间的粘附力数据表明:改性膜与污染物之间的粘附力比未改性膜的粘附力明显小,而且改性后膜与污染物之间的粘附力随着膜表面的亲水性的增加而变小。(3)通过比较四种污染物的宏观过滤实验数据和膜与四种污染物之间粘附力结果,膜与污染物之间的粘附力与相应污染物的宏观实验数据保持良好的一致性,膜与污染物之间的粘附力与膜表面的亲水性有着很大的相关性,不论何种污染物,膜表面亲水性越强,膜与污染物之间的粘附力就越小。(4)分别选取两种改性膜性能最优的超滤膜用来测定过滤过程中不同污染阶段的膜与污染物之间的粘附力。结果显示,不论选用何种污染物和何种膜,膜与污染物间的粘附作用力随着过滤时间的增大而逐渐减小,表明过滤初期膜与污染物之间粘附作用力大于污染后期各阶段膜与污染物之间的粘附作用力,从而说明过滤初期膜与污染物之间的作用力是引起膜污染的主要原因。因此,通过改善膜界面的亲水性,减小膜面与污染物之间的相互作用力,可以有效提高PVDF超滤膜的抗污染性能。
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