NGO-PDA-DAG复合改性膜的制备及其抗污染性能研究

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为解决膜污染的问题,本文对常规有机膜进行表面改性,改善膜表面的亲水性与抗菌性,提高其表面抗污染性能。首先,利用乙二胺对氧化石墨烯(GO)氨基化改性,制备亲水性和亲核反应活性较高的氨基化氧化石墨烯(NGO)。然后,以聚多巴胺(PDA)、1,3-二氨基胍盐酸盐(DAG)、NGO作为改性剂,采用氧化沉积与表面接枝的方法,对PVDF原膜表面进行亲水性与抗菌性改性,制得NGO-PDA-DAG改性膜,确定改性膜的最佳制备条件。通过改性膜表面化学结构、形貌结构特征、亲水性能、机械强度等特性表征,测试其选择透过性(纯水通量、有机污染物截留率)、抗有机污染性能及稳定性、长效抗菌性能,研究改性膜的抗污染特性。结果表明:(1)氨基化改性剂NGO上带有-NH2、-CO-NH、-OH等亲水性官能团,各化学元素组成分别为C(70.58%)、O(18.67%)、H(3.62%)、N(7.13%)。(2)NGO平均片层厚度为1.12nm,呈纳米级单层片状结构。NGO分散液呈正电性(+20.4m V),在静电斥力的作用下,NGO分散液静置24小时也不会发生聚集沉积,具有优异的分散稳定性。(3)NGO-PDA-DAG改性膜最佳制备条件为:DA浓度1.5mg·ml-1、NGO浓度2mg·ml-1、DAG质量浓度1wt%、DA氧化沉积时间4h、NGO接枝时间1h。(4)NGO-PDA-DAG改性层成功附着在PVDF原膜表面。除了原膜具有的C-F、C-H等特征官能团外,改性膜表面还带有来自PDA、DAG和NGO的-NH2、C=N、C=O等特征官能团。改性膜表面O、N元素含量分别为21.25%、7.07%(原膜表面无O、N元素),O/C比提高到0.30。同时,改性层覆盖了原膜表面的膜孔,使改性膜表面平均粗糙度由原膜的46.5nm下降到18.3nm。粗糙度的降低能减少污染物的积累,降低细菌在改性膜上生长繁殖的几率,有效提高改性膜表面抗污染性能。(5)与PVDF原膜相比,NGO-PDA-DAG改性膜的亲水性能改善明显。膜表面增加了-NH2、C=N、-OH、C=O等亲水性官能团,使改性膜的静态接触角由原膜的68.7°下降到38.7°。(6)NGO-PDA-DAG改性膜比PVDF原膜具有更高的机械强度。改性膜拉伸强度与杨氏模量分别为22.83MPa、376.25 MPa,比原膜的16.34 MPa、331.30 MPa分别提高39.72%和13.57%。(7)与PVDF原膜相比,NGO-PDA-DAG改性膜选择透过性提高明显。改性膜纯水通量与原膜的纯水通量相近,但改性膜对BSA的截留率为92.16%,在原膜截留率(73.52%)基础上提高了18.64%,选择透过性能更好。(8)NGO-PDA-DAG改性膜对有机污染物的抗污染性能显著增强。原膜纯水通量恢复率仅为30.56%,改性膜纯水通量恢复率为64.64%,比原膜提高了34.08%。而且,改性膜的总污染率为56.61%,比原膜减少20.67%。其中,可逆污染率提高了13.41%,不可逆污染率下降了34.08%。(9)NGO-PDA-DAG改性膜比PVDF原膜具有更稳定的抗有机污染性能,错流清洗后可重复使用。经三个过滤-清洗周期后,原膜纯水通量仅为测试前的24.14%,而改性膜纯水通量能恢复到60.76%。膜表面的改性层没有因错流清洗而脱落,抗污染性能稳定持久。(10)与PVDF原膜相比,NGO-PDA-DAG改性膜表面具有更强的抗菌能力,且抗菌效果持久。原膜无任何抗菌能力,而改性膜长效抗菌性能测试的平均抗菌率分别为92.3%、88.5%、87.9%、85.6%。改性膜能持久地发挥抗菌作用,有效防止生物膜污染发生。
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