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      添加劑對聚偏氟乙烯平板膜結構與性能的影響

      發布時間:2022年3月18日 點擊數:188

      我國膜分離技術的發展首先是從1958年對離子交換膜的具體研究開始的,數十年來,已經取得了長足的進步,涉及的領域已經遍及膜科學技術、材料應用及產品開發等方面。經過20年的努力,我國在膜分離技術的研發方面涌現出一批具有實用價值,接近或已達到國際先進水平的成果。但總體上,我國的膜分離技術和世界先進水平相比還是有一定的差距,有待于進一步的研究開發[1]。

      用相轉化法[2]可制備出分離性能良好的有機高分子膜。根據成膜機理的不同可分為熱致相分離(TIPS)法、非溶劑致相分離(NIPS)法和復合熱致相分離(C-TIPS)法[3]。

      由于聚偏氟乙烯(PVDF)[4]擁有出色的物理性能和化學性能,故常把PVDF作為制備分離膜的基體材料。但用其制備的分離膜表面能較低、親水性較差,用該分離膜進行水處理時,具有易被污染、使用壽命短等缺點。通過向鑄膜液中添加親水性化合物,可以改善PVDF膜的親水性,使其能夠被更好地應用。

      本文基于熱致相分離法的成膜機理,考察了聚乙二醇400(PEG400)的含量對膜的結構及性能(如膜的滲透性能、截留率、孔隙率、力學性能)的影響。

      1 實驗部分

      1.1 實驗試劑與儀器

      PVDF、鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)、無水氯化鋰(LiCl)、聚乙二醇(PEG400、PEG10000)、牛血清蛋白(BSA)。

      JA3003電子天平、電熱套、DW-11無級調速增力攪拌器、玻璃板、刮膜棒、分離膜評價裝置、JBDL-200N電子拉力試驗機、UV754PC紫外分光光度計、外徑千分尺、SNB-1數字粘度計。

      1.2 PVDF平板膜的制備

      具體制膜條件見表1和表2。

        

      表1 制膜條件  下載原圖



      表1 制膜條件

        

      表2 添加劑含量  下載原圖



      表2 添加劑含量

      2 結果與討論

      為了證明PEG400的加入能夠改善膜表面的親水性,本文對膜表面的動態水接觸角進行了測試,最終穩定后的接觸角見表3;圖1是繪制的動態接觸角曲線。從圖中可看出在相同的制膜工藝及條件下,接觸角變化的大致趨勢是隨著PEG400含量的增加而降低。這一現象可解釋為由于PEG400的分子鏈中含有大量的親水性基團,從而能夠改善PVDF膜表面的親水性,當體系為M-3時,膜的接觸角最小,為92.4°。

      本文還研究了3個超濾和清洗周期內向鑄膜液中加入不同含量的PEG400后PVDF膜的通量隨時間的變化關系,見圖2;以及3個超濾和清洗周期中PVDF膜通量恢復率的變化,見圖3。結果表明:在加入PEG400后,膜的通量恢復率有一定程度的提高,并且經3個BSA污染周期之后,M-3的通量恢復率超過了93%。因此,鑄膜液中添加PEG400可以有效提高膜的抗污染性能。這是由于大量親水性基團的存在使得PEG400可以很輕易地溶解在水中,能夠加速溶劑-非溶劑之間的交換速率,從而加快相分離進程,促進瞬時分相,而且PEG400的存在在加快溶劑向外擴散速率的同時還會增強膜表面的親水性及抗污染性能。該結論與動態接觸角的結果一致。

      圖1 不同PEG400含量下PVDF膜動態接觸角的變化情況

      圖1 不同PEG400含量下PVDF膜動態接觸角的變化情況  下載原圖


      (PEG400含量:M-0:0wt%;M-1:2wt%;M-2:4wt%;M-3:6wt%;M-4:8wt%;M-5:10wt%)

        

      表3 平板膜最終穩定后的接觸角  下載原圖



      表3 平板膜最終穩定后的接觸角
      圖2 3個超濾和清洗周期內添加不同含量的PEG400后膜通量隨時間的變化

      圖2 3個超濾和清洗周期內添加不同含量的PEG400后膜通量隨時間的變化  下載原圖


      (PEG400含量:M-0:0wt%;M-1:2wt%;M-2:4wt%;M-3:6wt%;M-4:8wt%;M-5:10wt%)

      圖3 通量恢復率隨PEG400含量的變化關系

      圖3 通量恢復率隨PEG400含量的變化關系  下載原圖


      3 結束語

      通過TIPS法制備了PVDF平板膜并考察了親水性添加劑PEG400的含量對膜性能的影響。通過對相關參數的測定,得出以下結論:向鑄膜液中添加親水性聚合物PEG400,極大地改善了膜表面的親水性,同時也增強了膜表面的抗污染性能,當PEG400的添加量為6wt%時,膜的接觸角達到最低,為92.4°,膜的通量恢復率也達到最大,為95.43%。由此可見,可通過調節制膜參數,改進制膜工藝來對膜的性能進行優化,這對于膜分離技術及水處理領域的發展具有重要意義。

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