利用聚合多巴胺进行超滤膜接枝PVA氨基酸聚合物亲水改性研究

摘要

膜污染是膜技术在废水处理领域扩大应用范围和进一步发展的主要障碍，而提高膜的亲水性是解决膜污染的主要途径之一。本文以多巴胺自聚合性和化学特性为背景，通过聚乙烯醇（PVA）与氨基酸的酯化反应形成PVA氨基酸聚合物，将氨基（-NH2）引入PVA链段，然后将带有-NH2的聚合物与膜表面的聚合多巴胺层形成共价键，从而将亲水的PVA接枝至疏水的超滤膜表面，完成常规超滤膜的亲水改性。因此，本文的研究重点在于 PVA氨基酸聚合物的制备和膜接枝改性后的性能表征。
　　首先，通过酯化反应形成 PVA氨基酸聚合物，通过傅里叶红外光谱（FTIR）和核磁共振波谱法（NMR）对产物进行检测。结果显示，合成产物确实为PVA氨基酸聚合物。经经济分析可知，PVA氨基酸聚合物的合成成本只占氨基聚乙二醇（mPEG-NH2）价格的19％。
　　其次，将 PVA氨基酸聚合物通过膜表面的聚合多巴胺层而接枝至超滤膜表面，通过FTIR进行接枝效率的检测，同时考察了膜表面形态结构、粗糙度、亲水性、润湿性和纯水通量基本参数。场发射电镜（FESEM）和原子力扫描电镜（AFM）的分析结果显示，接枝改性使膜孔径缩小和孔隙率降低，表面粗糙度的变化取决于原膜的膜孔径大小；接枝改性对膜表面粗糙度的影响与基膜的孔径大小有关，孔径较大的超滤膜经改性后粗糙度降低，而孔径较小的超滤膜，粗糙度反而增大。涂覆改性与接枝改性使膜表面的亲水性增强，PES100K原膜的接触角为91°，经涂覆改性与接枝改性后，接触角分别减小为71°和53°；PVDF100K原膜的接触角为75°，经涂覆改1性与接枝改性后，接触角分别减小为63°和49°。膜表面亲水性的增强是由于接枝在膜表面的PVA氨基酸聚合物的亲水性和改性后膜表面的粗糙度的变化。改性过程中由于膜孔径的缩小，使膜纯水通量下降，经接枝改性后，PES100K超滤膜的纯水通量由222.7L/(m2·h)减小为145.0 L/(m2·h)，PVDF100K超滤膜的纯水通量由195.6L/(m2·h)减小为143.7L/(m2·h)。
　　最后，研究了改性条件对改性膜性能的影响，以及改性膜的稳定性和抗污染能力。结果显示，膜表面的亲水性和润湿性随接枝反应的溶质浓度的增大和改性反应时间的增长而增强，而纯水通量随接枝反应的溶质浓度增大和改性反应时间的增长而降低。稳定性测定实验表明，改性膜具有良好的耐酸性，耐碱性和抗氧化能力较差。PVA氨基酸聚合物的接枝改性层对聚合多巴胺的脱落起到一定的缓和作用。实验以机油乳化液为模拟污染物体系进行膜污染测试，过滤实验表明，改性膜具有更好的抗污染能力。污染后的PES100K膜经50℃，1%的表面活性剂溶液清洗后，多巴胺涂覆改性膜和PVA接枝改性膜的通量恢复率分别为72.5%和93.4%，而原膜的通量恢复率仅为53%。在重复循环过滤实验中，改性膜表现出良好的稳定性和重复性。

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第1章 绪论

1.1膜的分类

1.2膜污染

1.3膜改性

1.4多巴胺在膜改性方面的研究进展

1.5本课题研究的主要创新点、目的和意义

第2章 实验材料、研究内容及方法

2.1实验材料

2.2实验方法及装置

2.3分析项目及测试方法

第3章 PVA氨基酸聚合物合成及其表征

3.1引言

3.2 PVA氨基酸聚合物的制备

3.3 PVA氨基酸聚合物表征

3.4 PVA氨基酸聚合物与mPEG-NH2经济分析

3.5本章小结

第4章 超滤膜亲水改性及其基本性能测定

4.1引言

4.2多巴胺涂覆改性膜和PVA接枝改性膜的制备

4.3改性对膜表面化学组成的影响

4.4改性对膜表面形态的影响

4.5改性对膜表面粗糙度的影响

4.6改性对膜表面亲水性的影响

4.7改性对膜纯水通量的影响

4.8膜孔径大小对多巴胺涂覆改性的影响

4.9本章小结

第5章 改性膜的稳定性及其抗污染能力测定

5.1引言

5.2改性膜的稳定性

5.3改性膜抗污染能力测定

5.4不同清洗方法对机油污染的清洗效果

5.5改性对膜通量恢复的影响

5.6改性膜过滤效果的稳定性测定

5.7本章小结

第6章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

攻读学位期间的主要学术成果

致谢