改性聚偏氟乙烯分离膜的制备和性能研究

发布时间：2018-03-02 10:29

  本文关键词： 聚偏氟乙烯 亲水性 原位聚合交联 表面改性 吸附　出处：《东华大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：聚偏氟乙烯(Poly(vinylidene fluoride),PVDF)是一种被广泛使用的半结晶性聚合物,拥有优异的抗腐蚀性、耐热性、耐老化性、耐辐射性和化学稳定性,并且拥有比较好的力学性能和良好的成膜性,因此被广泛的应用在水处理膜材料领域。但是PVDF膜由于表面能低导致拥有极强的疏水性,这使得PVDF膜在水处理过程中需要更大的驱动力并且更容易被污染,降低了膜的使用寿命,增加了运营成本。因此亟需采用有效的改性方法,改善膜的亲水性能并赋予分离膜的特殊功能性。本文主要探讨了PVDF膜的制膜工艺,采用原位聚合交联和表面改性两种方法对PVDF膜进行改性,探讨了改性工艺对膜性能的影响,并研究了改性膜对水中常见重金属铜离子的吸附性能。本文首先以聚偏氟乙烯为原料,N,N-二甲基乙酰胺为溶剂,聚乙烯吡咯烷酮为成孔剂,利用溶液相转化法制备聚偏氟乙烯微孔膜,通过改变铸膜液浓度,成孔剂添加量,凝固浴温度等工艺条件对膜的表面和断面形貌以及水通量和牛血清蛋白(BSA)截留率等性能进行了研究。研究结果表明:铸膜液浓度从11%提高到20%,PVDF膜的孔隙率呈下降趋势,膜表面的孔减少,BSA截留率呈缓慢提高状态。成孔剂聚乙烯吡咯烷酮的添加量从0.5%提高到5%,膜的孔隙率,水通量不断提高,但当添加量达到1%,其提高孔隙率和水通量的作用减缓,聚乙烯吡咯烷酮作为水溶性高分子,促进了成膜过程中的分相速率,使得分相过程向液-液分相转变。凝固浴温度从15℃提高到55℃,随着温度的升高,使得成膜过程中的双扩散速率变快,从而促进分相过程由液-固分相向液-液分相转变,导致PVDF膜的孔隙率增加,水通量增加,BSA截留率下降。当铸膜液浓度为15%,成孔剂聚乙烯吡咯烷酮含量为1%,凝固浴温度为25℃时,PVDF膜各项性能较为均衡,水通量为172 L/(h·m~2),孔隙率是77.2%,BSA截留率是13.5%。其次采用原位聚合交联法将丙烯酸(AA)和乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)共聚物引入到PVDF膜中,PVDF/AA的质量比分别为10/0,10/2,10/3和10/4。研究了改性膜的亲水性能,水通量,BSA截留率,力学性能以及对Cu~(2+)的吸附性能。研究结果表明:随着AA和VTES被引入PVDF膜中,膜表面的小孔减少。断面的指状孔变少,孔的形状以海绵状孔为主。当PVDF/AA质量比为10/2时,截面的指状孔含量很少,导致水通量大幅减少,BSA截留率提高。当PVDF/AA质量比达到10/4时,膜的初始接触角度从改性前的82.6°下降到改性后的45.4°,膜的亲水性能得到改善。当采用乙醇萃取48h后,改性膜的初始接触角度为50°,接触角的度数变化不大。说明原位聚合交联后AA在PVDF膜中有良好的稳定性。PVDF/AA质量比为10:2时,改性膜的断裂强度和断裂伸长率都有较大的提高。随着AA含量的继续增加,断裂强度和伸长率都呈下降趋势,但仍然比未改性的PVDF膜的力学性能要好。对铜离子吸附性能研究表明,随着丙烯酸含量增高,改性膜对铜离子的吸附能力越强。改性膜对铜离子的吸附量随着溶液p H的增高,呈现先增加后减小的趋势,当p H为6,聚偏氟乙烯和丙烯酸质量比为10/4时,改性膜对铜离子的吸附量达到13.3μg/cm~2。对改性膜进行重复吸附再生研究,经过四个循环后,改性膜的吸附效率仍然在94%以上,说明改性膜有良好的重复再生性能。最后采用多巴胺(DA)对PVDF膜表面修饰制得聚多巴胺改性聚偏氟乙烯(PDA-PVDF)膜,再在膜表面接枝聚乙烯亚胺(PEI),制得PEI/PDA-PVDF膜。研究了改性前后,膜表面形貌变化,亲水性能以及对Cu~(2+)吸附性能的影响。具体研究结果如下:PDA-PVDF膜表面的粗糙度比PVDF膜有所增大,随着反应时间增长,膜表面会有一定的颗粒状物质形成并堵塞一定量的膜孔,当反应9h时,膜表面能形成PDA层,并且没有明显颗粒状物质。PEI反应6h制备的PEI/PDA-PVDF膜和PDA-PVDF膜比较,膜表面的N/O元素比从0.38上升到1.06,说明PEI成功接枝在PDA-PVDF膜表面;在2min内接触角下降的度数从5°增加到了25°,膜的表面渗透率有较大提高。对PEI/PDA-PVDF膜进行铜离子吸附性能研究,溶液p H值越高,改性膜的吸附性能越好,当PEI处理时间达到6h,溶液p H为7时,改性膜的吸附量达到32.43μg/cm~2。PEI/PDA-PVDF膜对铜离子的等温吸附更加符合Freundlich模型,动力学吸附更加符合准二级动力学模型。对改性膜进行重复吸附再生研究,经过四个循环后,改性膜的吸附效率仍在90%以上,说明改性膜有着良好的重复吸附再生能力。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ051.893

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本文编号：1556142