基于扫描探针显微术的超滤膜表征方法研究

发布时间：2017-10-03 22:17

  本文关键词：基于扫描探针显微术的超滤膜表征方法研究

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【摘要】：超滤作为典型的膜分离技术在环保、医疗、食品、生物和污水处理等领域具有重要的应用价值,超滤膜是其中的关键器件。超滤膜的表面形貌和抗污性是直接影响分离效率和使用寿命的两个重要指标。本文针对实际应用需求,结合扫描探针显微镜(SPM)技术,在真空和大气环境下对超滤膜的表面形貌和抗污性的表征机理和方法进行了系统研究,提出了解决现有表征技术存在问题的多种思路和方法。这对于超滤膜的研制、生产和加工具有重要的指导意义。论文的主要工作和创新点包括:1.研究和探索了超滤膜表征理论和方法,提出了基于超高真空扫描隧道显微镜的超滤膜表面形貌表征方法和基于大气环境下原子力显微镜的超滤膜抗污性表征方法,并就实验结果对影响抗污性的多种因素进行了对比和分析。2.研究了适用于超滤膜特性表征的超高真空扫描隧道显微镜系统,设计了新型隧道电流提取电路和反馈控制电路,提高了隧道电流的采样准确度,设计了测头部分、样品加持装置和弹簧─阻尼隔振系统的机械结构,编写了实时数据采集和图像处理软件,最终实现了超滤膜形貌信息的拾取。实验研究了超高真空环境下超滤膜表面形貌的表征方法。3.提出了修饰不同蛋白的AFM探针弹性系数的可溯源标定方法,测量了蛋白和超滤膜之间的黏附力。评价了污染物与超滤膜之间粘附力的影响。实验研究了适用于超滤膜抗污性表征的二维力曲线测量方法。4.建立了探针谐振频率的变化量与所受作用力之间的数学模型,提出了超声原子力显微镜(UAFM)同时测量表面形貌和作用力的表征方法。提出了静电力显微镜(EFM)同时测量超滤膜的表面形貌、弹性模量和表面静电场分布的表征方法。这些方法为更好地研究抗污性多种因素之间的关系,以及对超滤膜的制备和应用提供了有价值的参考。5.提出了AFM与STM相结合同时测量样品形貌、弹性模量和样品表面电子态分布的表征方法。将新型隧道电流提取电路与AFM系统相结合,利用AFM二次抬举扫描模式实现了AFM扫描状态下隧道电流的采集,实验研究了导电样品表面形貌和电子态分布之间的关系。
【关键词】：超滤膜 表面形貌 抗污性 SPM 超高真空 蛋白 黏附力
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ051.893;TH742
【目录】：

• 中文摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 膜分离技术10-15
• 1.2 超滤膜表征技术15-22
• 1.2.1 表面形貌表征技术15-17
• 1.2.2 超滤膜抗污性能的表征技术17-22
• 1.3 课题研究的意义和主要工作22-24
• 第二章 超滤膜表征理论与方法的研究24-40
• 2.1 超滤膜分离原理24-31
• 2.1.1 超滤膜分离过程的传质机理25-26
• 2.1.2 超滤膜的分离模型26-27
• 2.1.3 超滤膜的污染机理27-30
• 2.1.4 超滤膜污染的力学特性分析30-31
• 2.1.5 超滤膜的污染物31
• 2.2 超滤膜表征方法的研究31-38
• 2.2.1 超高真空环境在超滤膜表面形貌表征中的作用32
• 2.2.2 量子隧道效应32-34
• 2.2.3 AFM探针的力学模型34-36
• 2.2.4 外作用下的探针力学模型36-38
• 2.3 本章小结38-40
• 第三章 超高真空环境下表征技术的研究与系统设计40-74
• 3.1 UHV-STM系统设计40-41
• 3.2 STM的原理分析41-43
• 3.3 隧道电流前置放大电路设计43-52
• 3.4 反馈控制电路的设计52-55
• 3.5 粗进针机构设计55-57
• 3.6 隔振系统设计57-61
• 3.7 真空系统设计61-66
• 3.7.1 真空腔体的设计61-63
• 3.7.2 测头机械结构的设计63-64
• 3.7.3 样品夹持机构的设计64-65
• 3.7.4 超高真空的实现65-66
• 3.8 控制软件66-70
• 3.8.1 数据采集和压电陶瓷控制66-68
• 3.8.2 图像处理和显示68-70
• 3.9 探针的制备70-72
• 3.10 本章小结72-74
• 第四章 大气环境下表征技术的研究与系统设计74-98
• 4.1 AFM的原理分析74-76
• 4.2 AFM力曲线测量76-83
• 4.2.1 AFM力曲线测量的原理77-80
• 4.2.2 利用蛋白修饰探针80-81
• 4.2.3 AFM探针弹性系数的标定81-83
• 4.3 超声原子力显微镜（UAFM）83-90
• 4.3.1 UAFM的原理84-86
• 4.3.2 UAFM系统搭建86-90
• 4.4 静电力显微镜（EFM）90-94
• 4.4.1 EFM的原理90-93
• 4.4.2 EFM系统93-94
• 4.5 AFM与STM相结合的表征方法94-96
• 4.6 本章小结96-98
• 第五章 超滤膜表征实验及数据分析98-124
• 5.1 超高真空环境下的表征实验98-101
• 5.1.1 测量金膜98-100
• 5.1.2 超滤膜孔径表征100-101
• 5.2 大气环境下的实验101-120
• 5.2.1 样品制备101-102
• 5.2.2 探针的修饰102-103
• 5.2.3 AFM探针悬臂梁弹性系数的标定103
• 5.2.4 力曲线测量103-107
• 5.2.5 UAFM测量107-112
• 5.2.6 EFM测量112-117
• 5.2.7 超滤膜抗污性表征方法比对实验117-118
• 5.2.8 AFM与STM相结合测量118-120
• 5.3 结论与分析120-121
• 5.4 本章小结121-124
• 第六章 总结与展望124-128
• 6.1 论文完成的主要工作124-125
• 6.2 论文创新点125-126
• 6.3 工作展望126-128
• 参考文献128-136
• 发表论文和参加科研情况说明136-138
• 致谢138-139
• 附录1 UHV-STM 系统主要性能参数139-140
• 附录2 振动隔离理论140-143
• 附录3 UHV-STM 软件流程图143-144

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本文编号：967031