基于水凝胶涂层法的聚四氟乙烯微孔膜亲水改性研究

摘要

目前，水污染和水资源短缺问题已严重威胁到人们的生命安全。长期以来，水污染问题的治理一直成为环保学界关注的焦点，膜技术因其工艺的绿色环保、可持续性、分离过程迅速高效率性等优点已作为主流治理的方式之一，取得良好的效果。PTFE微孔膜材料以其优异的耐化学试剂、高孔隙率、机械性能好等优点一直受到国际学者的关注和研究。但PTFE微孔膜由于其表面能低，疏水性高等特点，极大的限制了它在水处理领域的应用。因此，提高PTFE微孔膜的亲水性能已成为研究的重点方向。本文以聚乙烯醇(PVA)和壳聚糖或氧羧甲基壳聚糖为亲水剂，采用不同的交联剂通过交联反应在PTFE微孔膜纤维包裹一层水凝胶亲水涂层，从而实现PTFE微孔膜的亲水改性。具体开展了如下两部分研究: (1)选用亲水性好的聚乙烯醇(PVA)与抗菌性能好的壳聚糖(CS)为材料，在碱性条件下通过环氧氯丙烷的交联作用形成水凝胶涂层与原位嵌入SiO2纳米颗粒的方法相结合改性PTFE微孔膜。实验结果表明:改性PTFE微孔膜的纤维表面包裹着一层水凝胶，且水凝胶涂层与节点处还附着大量的固体颗粒，提升表面粗糙度，平均孔径和孔隙率略微减小;改性膜表面出现了羟基和氨基;改性膜表面出现了新的元素N，O，Si;随着PVA溶液浓度的增加，改性膜的水通量先升高后降低，膜表面的接触角是先下降后趋于稳定;随着反应时间的增加，改性膜的水通量先升高后下降;随着反应温度的增加，改性膜的水通量先升高后降低，膜表面的接触角先降低后升高;最佳反应条件为:PVA溶液浓度为1wt％，CS溶液浓度为0.3wt％, CS溶液与PVA溶液质量比为1∶1.5，反应时间为6h，反应温度为40℃，反应pH=12，二次处理中的水稀释倍数为45倍（其中PBA∶SiO2=1∶2.5）。亲水改性PTFE微孔膜的接触角由136°降至48°，纯水通量达到了3172L·m-2·h-1。通过对亲水改性的PTFE微孔膜的水包油乳液分离实验结果表明:亲水改性的PTFE微孔膜具备良好的抗油污性能和油截留率97％。对亲水改性的PTFE微孔膜的物理和化学稳定性研究结果表明:亲水改性的PTFE微孔膜具备良好的耐酸性能和耐冲洗性能。 (2)选用聚乙烯醇(PVA)与氧羧甲基壳聚糖(OCMCS)在酸性条件下用戊二醛进行交联反应对PTFE微孔膜进行亲水改性。研究结果表明:PTFE微孔膜的纤维表面包裹着一层水凝胶涂层，且微孔膜表面仍然保持原有的三维网状结构;亲水改性的PTFE微孔膜表面出现了亲水基团羟基和氨基;随着反应溶液中PVA含量的增加，改性膜水通量先增大后减小，接触角先减小后增大;随着反应温度的增加，改性膜水通量先增大后减小，接触角先减小后增大;随着反应时间的增加，改性膜水通量先增大后减小，接触角先减小后增大。最佳的实验条件为:OCMCS/PVA质量比为1∶1，5wt％戊二醛和1wt％盐酸溶液的量分别为2.5mL和1mL，反应时间为6h，温度为50℃。所制备的PTFE-PVA/OCMCS膜具有更大的水通量为4480.89L·m-2·h-1，接触角为57.48°。对亲水改性的PTFE微孔膜的抗污染性能测试结果表明:PTFE-PVA/OCMCS膜具备良好的抗牛血清蛋白(BSA)吸附能力。长时间水洗实验结果表明:PTFE-PVA/OCMCS膜具备较好的物理稳定性。

目录

声明

摘要

1．1引言

1．2膜技术

1．2．1膜技术的历史背景

1．2．2膜技术的应用

1．3 Poly(tetrafluoroethylene)(PTFE)

1．3．1 PTFE的结构与性能

1．3．2 PTFE微孔膜

1．3．3 PTFE微孔膜的制备

1．3．4 PTFE膜的亲水改性

1．4水凝胶

1．4．1水凝胶的分类及特点

1．4．2水凝胶涂层的防污机理

1．4．3水凝胶的制备技术及应用

1．4．4水凝胶的研究进展

1．5课题的提出及意义、设计思路与研究方法

1．5．1课题的提出及意义

1．5．2设计思路与研究方法

第二章壳聚糖与聚乙烯醇交联和原位嵌入SiO2相结合用于PTFE微孔膜的亲水改性

2．1引言

2．2实验部分

2．2．1实验材料与主要仗器

2．2．2亲水PTFE微孔膜的制备

2．2．3表征与测试

2．2．4水通量测试

2．2．5水油分离测试

2．2．6抗菌性能测试

2．3结果与讨论

2．3．1 XPS分析

2．3．2 ATR-FTIR分析

2．3．3微观形貌分析(SEM和EDX)

2．3．4膜表面润湿性和渗透通量分析

2．3．5改性膜的水油分离性能分析

2．3．6改性膜的涂层稳定性研究

2．3．7改性膜的抗菌性

2．4小结

第三章氧羧甲基壳聚糖与聚乙烯醇交联亲水改性PTFE微孔膜

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1实验材料与仪器

3．2．2 PTFE平板膜的亲水改性

3．2．3改性膜的表征

3．2．4改性膜的性能测试

3．3．结果与讨论

3．3．1反应吼理

3．3．2 SEM分析

3．3．3 EDX分析

3．3．4 ATR-FTIR分析

3．3．5膜表面润湿性和渗透通量分析

3．3．6膜的ξ电位和抗污染性能

3．3．7膜的耐冲洗性能

3．4小结

4．1结论

4．2展望

参考文献

硕士期间发表论文情况

致谢