PVDF中空纤维膜低温等离子体改性及性能研究

摘要

随着社会的进步和科技的发展，水资源问题已成为我国经济发展中不可忽视的问题之一，政府对水问题的关注也越来越多。在水处理中，膜技术的应用最为广泛，随着我国净水及污水处理标准的不断升高，膜技术已经从工业水处理行业逐渐转移至净水及市政污水领域。作为膜技术中的核心部分，膜在实际应用中还存在一些缺陷，比如易污染、不易清洗、经济成本、运行费用和维护费用高等问题。本研究课题就针对膜在应用时的以上缺点，对聚偏氟乙烯膜(PVDF)中空纤维膜进行了低温等离子体改性，以提高膜的性能和抗污染能力。
　　本课题中，对PVDF中空纤维膜进行了四种不同的低温等离子体方法改性，分别是仅等离子体处理、混合等离子体化学沉积、等离子体液相接枝和丙烯酸等离子体化学沉积。比较了膜改性前后膜面膜孔的Zeta电位、力学性能、红外谱图和表面形态，研究了改性膜和原膜的清水通量及通量对温度、pH值和盐响应性的不同。最后，在自制的凹凸棒悬浊液中和MBR反应器中，比较了改性膜和未改性膜在实际应用中的抗污染能力。具体结论如下:
　　(1)经过低温等离子体改性后，PVDF中空纤维膜膜孔膜面的Zeta电位有了明显增加。经过仅等离子体处理、混合等离子体化学沉积、等离子体液相接枝和丙烯酸等离子体化学沉积四种方法处理后，膜孔的Zeta电位分别增加了234.65％、287.40％、201.18％和175.20％，膜面的Zeta电位分别增加了1005.77％、1030.00％、1001.92％和340.38％。改性后，膜受拉力时抵抗破坏的能力基本没变，但是膜的塑性降低，刚度增大。观察原膜和改性膜的电镜图片，原膜表面较为光滑，膜孔分布均匀，清晰可见，改性膜表面具有较大凹凸起伏，改性后膜表面基本看不到膜孔，局部能够看到聚合沉积所形成的簇团。
　　(2)低温等离子体改性后，膜通量增加了2％～15％，原膜及改性膜通量都随温度的升高而增大，改性膜通量的增加率低于原膜，但随着温度的增加，差值逐渐减小。膜通量对pH值的响应性表明，丙烯酸等离子体化学沉积法和混合等离子体化学沉积改性法改性后的膜在酸性和碱性溶液中有更大的通量响应值，说明这两种改性膜都具有较强的酸性官能团，且后者的电离度更大，而仅氮等离子体处理和等离子体液相接枝改性的膜对酸性条件的通量响应大于碱性条件;PVDF等离子体改性膜对不同电解质溶液和不同浓度的通量响应较为复杂，究其原因主要有吸附—渗透作用造成膜孔径减小通量下降，还有电解质离子对接枝聚合高分子链的电性屏蔽中和作用造成的膜孔径增大通量增加，流动电位造成的反离子逆向迁移引起的电粘滞作用。
　　(3)在膜分离过程的实验中发现，膜的流动电位变化越大，膜抗污染能力越低;改性膜通量衰减率明显低于原膜，且改性膜的不可逆污染比例更低，表明经等离子体改性后的膜由于具有更高的表面Zeta电位、更好的亲水性能，耐污染能力得到提强。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 膜分离技术概况

1．2 聚偏氟乙烯(PVDF)膜亲水化改性方法

1．2．1 基本改性

1．2．2 表面改性

1．3 低温等离子体表面改性理论

1．3．1 等离子体表面处理

1．3．2 等离子体引发接枝聚合

1．3．3 等离子体聚合

1．4 双电层理论

1．4．1 流动电位的意义

1．4．2 Zeta电位的意义

1．5 论文的目的和意义

1．6 论文研究的内容

2 PVDF中空纤维膜的改性方法

2．1 实验材料与仪器

2．2 改性方法

3 膜改性后的表征分析

3．1 改性前后膜面膜孔Zeta电位的比较

3．2 力学性能的比较

3．3 膜表面红外吸收光谱分析

3．4 膜改性前后的表面形态比较

3．4 小结

4 改性膜通量及其响应性的研究

4．1 实验方法

4．2 膜清水通量的比较

4．3 膜通量对温度的响应性

4．4 膜通量对pH值的响应性

4．5 膜通量对盐的响应性比较

4．6 小结

5 膜分离性能试验

5．1 膜分离凹凸棒悬浊液性能实验

5．1．1 实验材料

5．1．2 实验装置及方法

5．1．4 实验结果与讨论

5．2 等离子体改性PVDF超滤膜在MBR中应用

5．2．1 试验材料

5．2．2 试验装置及方法

5．3 结果与讨论

5．3 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果