【摘 要】
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聚偏氟乙烯(PVDF)的疏水性使其易被污染而缩短了膜的使用寿命,限制了其在水处理业的发展。因此,对PVDF膜进行亲水改性势在必行。目前普遍认为亲水改性提高抗污染性的原因是亲水
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聚偏氟乙烯(PVDF)的疏水性使其易被污染而缩短了膜的使用寿命,限制了其在水处理业的发展。因此,对PVDF膜进行亲水改性势在必行。目前普遍认为亲水改性提高抗污染性的原因是亲水基团和水分子之间通过氢键形成了能起到物理以及能量保护作用的键合水层,可有效防止污染物接触膜表面,从而提高膜的抗污染性。然而,相关研究仅存在于理论层次的讨论,未见详细的量化分析。本文将物理共混和化学接枝改性相结合,主要从四个方面开展工作。首先,以三乙酸甘油酯(GTA)作为稀释剂,采用热致相分离技术(TIPS)制备了PVDF/SMA共混膜。探究了SMA型号,PVDF/SMA比例以及添加剂种类和添加量对膜微结构及性能的影响,从而确定了PVDF/SMA共混膜的制膜工艺参数。结果表明,当SMA型号为S3,PVDF/SMA比例为8/2并添加2%的PVP-K30时,膜结构贯通,通量适中且截留率较高。接下来,利用聚乙二醇(PEG)的羟基与PVDF/SMA共混膜中酸酐基团之间的酯化反应,制备了PVDF/SMA-g-PEG接枝膜。探究了不同分子量PEG的接枝位置,量化了键合水层(BWL)的微观结构以及分析了膜渗透性能的机理和主要影响因素。结果表明,当分子量低于2000 g mol-1时,链段会接枝在膜表面以及靠近上表面的基质中;反之主要接枝在膜上表面。羟基及醚键和水分子通过氢键形成了键合水层,且PEG2000形成的水层厚度和牢固程度达到最大。此外水层牢固程度对截留率和抗污染性的影响比较大,而过滤阻力对通量影响比较大。然后,在PEG分子量为2000 g mol-1的情况下,将单因素实验和响应面法相结合确定了接枝率的主要影响因素以及最佳反应条件。结果表明,反应温度对接枝率的影响最大,最佳反应条件为反应时间4.12 h,催化剂用量0.63%,反应温度73.19℃。通过FT-IR半定量计算及拟合得到该反应的活化能Ea=47.125 k J mol-1。最后对膜的结构、性能和阻力进行了测试及分析,发现随着接枝率的增加,接枝膜的亲水性得到了提高,表面电荷趋于0且总渗透阻力明显降低。最后,以戊二醛(GA)作交联剂,与PEG和聚乙烯醇(PVA)的羟基发生分子间交联制备出PVDF/SMA-g-PEG-g-PVA接枝膜。结果表明,厚且致密的键合水层有助于提高膜的截留率。此外,膜的亲水性也得到了进一步提高,当PVA浓度为8%时,30 s时接触角可达到34.7°,亲水性最好。
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