高强度PVDF-PET中空纤维膜的制备及亲水化改性研究

发布时间：2017-07-29 01:09

  本文关键词：高强度PVDF-PET中空纤维膜的制备及亲水化改性研究

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【摘要】：本论文主要研究内容包括:利用课题组研发的涂覆-浸没凝胶相转化中空纤维膜制备装置,制得高强度PVDF-PET内支撑中空纤维膜;量化了内支撑中空纤维膜较传统中空纤维膜在PVDF耗量、有效过滤面积和强度方面的优势;讨论了PVDF浓度对涂覆效果和膜性能的影响;以无机TiO_2为亲水化添加剂,评估了其浓度对复合膜纯水通量、平均孔径、孔隙率、抗污染等性能的影响;并考察各改性复合膜对高浊度原水及二级出水中有机物和浊度的去除效果,确定改性膜中纳米TiO_2颗粒的最佳投入比。在此基础上,将配制的牛血清蛋白(BSA)、腐殖酸(HA)、海藻酸钠(SA)标准污染液,与城市二级出水(EfOM)作为模拟污染物进行宏观过滤实验。利用连续记录实验进程中通量的变化数值,进而拟合出通量衰减曲线,并测算出通量衰减率、膜污染率和通量恢复率。运用具备耗散因子功能的石英晶体微天平(QCM-D)来实时监测BSA在不同改性膜表面的吸附行为。将微观和宏观两个角度相结合,深入探讨了改进膜抗污染机理,为后续膜污染防治研究提供理论参考。本研究主要结论如下:(1)首先使用快速编织机生产得到内径为2.0mm的低弹涤纶纤维丝编织管,并用浓度为5%、温度为80℃的NaOH水溶液对编织管进行30min预处理。通过涂覆-浸没沉淀相转化法,在铸膜液和凝胶浴温度分别为60℃、20℃,铸膜液体系为PVDF/LiCl/DMAC/TiO_2/PVP的条件下,利用自制的纺丝装置将铸膜液涂覆到预处理后的编织管表面,经相转化后生产得到了PVDF-PET高强度改性复合膜。复合膜外部涂覆层紧密贴合于内部支撑层外表面,复合膜壁厚为0.5mm左右,涂覆层呈薄而致密的结构,其厚度仅占整个复合膜壁厚的1/5左右。且因为编织管增强体的作用,复合膜具有极高的径向强度,超出了目前实验室仪器的测试范围(最大值5000cN)。(2)PVDF-PET编织管中空纤维膜在PVDF耗量、过滤面积和机械强度上较传统中空纤维膜具有更大优势。在得到具有相近纯水通量和截留率的中空纤维膜时,较纯中空纤维膜,内支撑中空纤维膜在膜基材PVDF耗量上节省约40%;每100g铸膜液制得的有效过滤面积,采用外压过滤的内支撑中空纤维膜大于采用内压过滤的传统中空纤维膜;其仅向拉伸强度高于50Mpa,在强度上也远优于传统中空纤维膜。(3)PVDF浓度对涂覆层涂覆效果和膜性能影响显著。当PVDF浓度小于8%或大于16%时涂覆效果很差,当其浓度处于8%~16%时,涂覆层均匀光滑。随着铸膜液体系中PVDF质量分数由8%升高至16%,复合膜纯水通量随之降低,平均孔径减小,孔隙率先增大后降低,孔隙率在44.31-61.72%之间,获得的改进复合膜纯水通量最高达1683.78L?m-2?h-1;当W(PVDF)=12%时,复合膜孔隙率达到最大值61.72%,膜表面平整光滑。(4)将亲水化改性剂TiO_2加入到铸膜液体系中进行共混改性,并利用改性后的复合膜对自配高浊度原水及城市二级出水进行过滤试验。结果表明:1)随着铸膜液体系中TiO_2浓度增大,溶剂量减小,复合膜的通量、平均孔径和孔隙率逐渐降低。当W(TiO_2)=1%时,复合膜通量由476.88L/(m2·h)提升至683.8L/(m2·h),孔隙率及通量最大,截留率最低。当W(TiO_2)≥2%时,过高的TiO_2含量可能造成无机纳米粒子随机堵塞膜孔及粒子团聚等缺陷发生,致使纯水通量逐渐减小,截留增大。2)改进复合膜对自配高浊度原水中的颗粒物具有优良的截留效果,膜出水浊度都远低于0.1NTU,且对二级出水中有机物UV254具有一定分离效果,去除率在18.2-43.7%范围内;当铸膜液体系PVDF/PVP/LiCl/DMAc/TiO_2组分配比为12:6:2:79:1时,复合膜的膜形貌结构和综合性能最优。(5)由QCM-D检测分析可知,在加入BSA污染液后,频率F立即下降,纯PVDF膜吸附量最大,吸附值△m=85.42ng/cm2,而PVDF/TiO_2膜显示出了较低的吸附量△m=68.67ng/cm2;通过复合膜与蛋白质(BSA)、腐殖酸(HA)、海藻酸钠(SA)和城市二级出水(EfOM)四种污染物的宏观过滤实验数据表明:改性后的膜通量衰减率和膜污染率降低,通量恢复率和抗污染性能均得到一定程度提升;TiO_2含量为1%时复合膜通量衰减率最低,通量恢复率最高,复合膜整体性能更为优异。
【关键词】：PET编织管 亲水化改性 石英晶体微天平(QCM-D) 膜污染
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703;TQ028.8
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 1 绪论10-26
• 1.1 市政污水处理10-13
• 1.1.1 水资源污染及治理现状10-12
• 1.1.2 我国污水处理的发展12-13
• 1.2 膜分离技术的概述13-16
• 1.2.1 膜的定义及分类14-16
• 1.2.2 膜分离的基本原理16
• 1.3 聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维膜的研究16-20
• 1.3.1 PVDF中空纤维膜的制备方法17-18
• 1.3.2 PVDF膜的改性研究18-20
• 1.4 高强度中空纤维膜的研究20-23
• 1.4.1 高强度中空纤维膜的研究背景20-21
• 1.4.2 增强型中空纤维膜国内外研究进展21-23
• 1.5 膜污染概述23-26
• 1.5.1 膜污染影响因素23-25
• 1.5.2 减缓膜污染与改善膜抗污染性的措施25-26
• 2 课题的提出及研究内容26-30
• 2.1 课题来源26
• 2.2 课题的提出26-27
• 2.3 研究内容27-28
• 2.4 课题研究的技术路线28-30
• 3 高强度中空纤维膜的制备及测试分析方法30-40
• 3.1 试验仪器和装置30-31
• 3.2 试验药品与试剂31
• 3.3 内支撑中空纤维复合膜的制备方法31-33
• 3.4 高强度中空纤维膜性能的测试方法33-40
• 4 高强度亲水化中空纤维复合膜的制备研究40-54
• 4.1 高强度亲水化中空纤维复合膜的制备40-41
• 4.2 亲水化改进的高强度中空纤维复合膜的形貌结构41
• 4.3 PVDF-PET中空纤维膜的优势41-42
• 4.4 PVDF浓度对亲水化改进复合膜性能的影响42-44
• 4.4.1 PVDF浓度对亲水化改进复合膜表面形貌的影响42-43
• 4.4.2 PVDF浓度对改性复合膜纯水通量、孔隙率和平均孔径的影响43-44
• 4.5 TiO_2浓度对亲水化改进复合膜性能的影响44-48
• 4.5.1 TiO_2浓度对亲水化改进复合膜的表面微观结构的影响45-46
• 4.5.2 TiO_2含量对复合膜晶体结构的影响46-47
• 4.5.3 TiO_2含量对复合通量、截留、孔隙率与接触角的影响47-48
• 4.6 亲水化改进复合膜的膜性能分析48-53
• 4.6.1 亲水化改进复合膜对浊度的去除效果49-50
• 4.6.2 亲水化改进复合膜对城市污水二级出水的过滤分析50-53
• 4.7 本章小结53-54
• 5 PVDF/TiO_2改性复合膜的膜污染行为研究54-62
• 5.1 引言54
• 5.2 PVDF/TiO_2改性复合膜对典型污染物宏观抗污染性能的分析54-61
• 5.2.1 PVDF/TiO_2改性膜对牛血清蛋白（BSA）抗污染性能分析54-56
• 5.2.2 PVDF/TiO_2改性膜对海藻酸钠（SA）宏观抗污染性能分析56-58
• 5.2.3 PVDF/TiO_2改性膜对腐殖酸（HA）宏观抗污染性能分析58-59
• 5.2.4 PVDF/TiO_2改性膜对二级出水（EfOM）宏观抗污染性能分析59-61
• 5.3 本章小结61-62
• 6 结论与建议62-64
• 6.1 结论62-63
• 6.2 建议63-64
• 参考文献64-70
• 附录70-72
• 致谢72

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本文编号：586816