等离子体引发两性离子接枝PVDF膜及其抗污性能研究

发布时间：2020-06-12 07:50

【摘要】：膜生物反应器(MBR)是近些年发展起来的一种新型污废水处理技术,其将传统的生物法与膜技术高效地结合在一起,具有显著的处理优势。但是在MBR中存在的一系列膜污染问题,制约了MBR的广泛应用。聚偏氟乙烯(PVDF)膜是MBR中应用最为广泛的膜材料。但是由于其较差的亲水性和较低的表面能,使得PVDF膜在MBR中极易形成吸附性污染和滤饼层污染,严重缩短了膜的使用寿命,增加了运行成本。为此本课题采用等离子体技术将甲基丙烯酸二甲胺乙酯(DMAEMA)接枝到PVDF膜表面,得到等离子体改性膜(PVDF-g-PDMAEMA),然后使其与3-溴丙酸(3-BPA)发生季铵化反应,最终得到了两性离子化改性膜(PVDF-g-PCBMA),并对其抗污染性能和实际应用展开系统的研究。等离子体改性工艺的研究表明,当等离子体的接枝功率为15W,接枝时间为90s时是等离子体反应的最佳条件,此时接枝率最大。对改性膜进行表面特性表征,傅里叶红外光谱图证明在PVDF-g-PCBMA膜表面接枝上了叔胺基团(-N(CH_3)_3)和羧酸基团(-COOH),二者是两性离子的主要组成基团;扫描电子显微镜图像表明PVDF-g-PCBMA膜的孔骨架表面形成了更为光滑的接枝层;水接触角分析表明,相比于原PVDF膜,PVDF-g-PCBMA膜的接触角从88.3°降至39.0°,亲水性得到了较大的提高。通过静态吸附和动态过滤实验考察了改性膜对标准膜污染物质牛血清白蛋白(BSA)和海藻酸钠(SA)的抗污染性能。静态吸附实验研究表明,PVDF-g-PCBMA膜的BSA、SA吸附率分别为25.2%、14.4%,比原膜分别降低了59.8%、49.3%,说明PVDF-g-PCBMA膜抗BSA和SA吸附的能力显著提高;动态过滤实验研究表明,过滤BSA溶液时,PVDF-g-PCBMA膜比原膜的通量衰减率低24.6%,比原膜的通量恢复率、截留率分别高46%和2.8%,说明PVDF-g-PCBMA膜具有更好的抗污染性能。为了研究改性膜在MBR中的抗污染性能,主要考察其对MBR中关键膜污染物质溶解性微生物产物(SMP)和胞外聚合物(EPS)的抗污染特性,研究表明表面两性离子化改性增大了膜清洗后的通量恢复率,降低了其对SMP、EPS中蛋白质和多糖的吸附效率,减少了SMP、EPS中蛋白质、多糖在膜表面的吸附沉积;根据XDLVO理论的计算分析表明,改性膜对SMP和EPS吸附产生的能量壁垒远远高于原膜,且改性膜表面与SMP和EPS之间的关系能一直以排斥能的形式存在,证明了在MBR中,改性膜拥有更好的抗污染能力。综上所述,原PVDF膜经过两性离子表面改性后,PVDF-g-PCBMA膜在过滤污染物质时的通量衰减变得缓慢,物理、化学清洗后的清水通量恢复率显著增大,抗SMP、EPS的污染能力明显提高,证明了PVDF-g-PCBMA膜具有更优异的抗污染能力。
【图文】：

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设备名称型号生产厂家波清洗器 KQ-250DE 昆山市超声仪器鼓风干燥箱 DHG-9140A 上海一恒科学仪器子天平 ME204E 上海一恒科学仪器抽滤装置 500ml 盐城鼎和信实验器化培养箱 LRH-150 上海一恒科学仪器震荡水槽 DKZ 上海一恒科学仪器见分光光度计 TU-1810 北京普析通用仪器有离心机 TDL-40B 上海安亭科学真空泵 A-1000S 上海爱郎仪器有角测量仪 SDC-100 东莞市晟鼎精密仪红外光谱仪 Nicolet 380 美国热电公描电子显微镜 MERLIN Compact Zeiss 公司实验装置体接枝改性的整个过程，在如图 2-1 所示的反应装置中

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图 2-2 过滤实验装置图的测定分析方法质含量的测定蛋白标准曲线制标准牛血清蛋白（BSA）溶液：在天平上准确无误地称内用玻璃棒搅拌溶解，烧杯内残余的 BSA 每次用少量蒸入容量瓶定容至 1000ml，振荡摇匀，即配成了 1.0g/L 的准 BSA 溶液浓度梯度的配制：6 支容积相同的试管配成不同浓度梯度的溶液，其中 1白对照，溶液配比如表 2-3 所示。用分析天平称量 2g 碳酸钠，0.4g 氢氧化钠和 0.1g 酒石蒸馏水溶解后再定容至 100mL，，为甲液；取 0.5g 无水硫容至 100mL，为乙液；取甲液和乙液，以 50：1 的比例
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

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