聚醚砜(PES)超滤膜的结构与亲水性能的改善

摘要

本文以聚醚砜(PES)超滤膜为研究对象，针对由于聚醚砜本身存在较强的疏水性，使得以聚醚砜为膜材料的超滤膜在使用过程中抗污染性差，膜寿命缩短的问题，围绕浸没沉淀相转化法过程中膜结构的控制与成膜后亲水性能的改善展开课题。论文从研究铸膜液的组成和凝固浴组成对膜的形态影响出发，在理论上解释了各主要成膜参数（聚合物浓度、有机和无机添加剂浓度、凝固浴配比）对膜的结构与性能的影响，为制成渗透性好、抗污性强以及亲水性强的聚醚砜超滤膜提供了理论指导。
　　本文研究了各成膜参数对膜结构的影响机理与影响程度，将有机添加剂PVP和无机添加剂LiCl制成混合添加剂，通过共混改性的方法改性聚醚砜膜，并采用单因素实验和正交实验两条线分别研究了各成分的影响机理以及各成分之间的相互影响，最终确定了在拟设定的成膜温度和成膜时间的条件下铸膜液和凝固浴的最佳配比。论文主要内容可分为三大块:各影响因素的单因素分析、成膜过程中的机理研究和多因素多水平的正交分析。首先，对添加剂的影响机理进行了探索、其次在单因素实验过程中根据实验数据分析了各因素的影响效果与作用机理，最后采用正交的方法得出铸膜因素的最优水平。
　　本文通过黏度测定，研究了聚合物浓度、PVP浓度和LiCl浓度对铸膜液黏度的影响，从而确定其对成膜过程中溶剂与非溶剂之间的交换速率的影响程度。铸膜液配比对成膜过程中各成分的交换速率也具有一定的影响。同时，本文还通过进行超滤膜的水通量测定、接触角测定、含水率测定、孔径测试、墨水与蛋白截留率测试、污染指数测试以及扫描电子显微镜观察膜的微观形貌等实验来研究膜的性能与结构的变化，研究结果表明:各实验因素对铸膜液的黏度影响的顺序为:PVP浓度＞PES浓度＞LiCl浓度，对膜孔的影响的顺序依次为:PES浓度＞凝固浴配比＞LiCl浓度＞PVP浓度，对膜的通量影响的顺序依次为:PES浓度＞凝固浴配比＞LiCl浓度＞PVP浓度，对膜的接触角影响的顺序依次为:PES浓度＞凝固浴配比＞LiCl浓度＞PVP浓度，对膜的截留率影响的顺序依次为:PES浓度＞凝固浴配比＞PVP浓度＞LiCl浓度，对膜的污染指数影响的顺序依次为:PVP浓度＞LiCl浓度＞PES浓度＞凝固浴配比。铸膜液黏度的巨大差异将直接影响膜结构，黏度的增大抑制了指状结构与表面大孔的形成。PES浓度主要通过影响膜的黏度来影响膜的结构与性能，PES浓度增加，膜的表层越致密，表层厚度增加，指状结构受到抑制。PVP通过同时影响铸膜液的黏度和热力学不稳定性来影响膜的结构与性能，PVP的加入能增加膜孔的数量，且对膜亚层的指状结构发展有益，但它同时也有抑制大孔生成的作用。LiCl的加入主要作用在于增加膜表面的孔数量，对膜孔径大小的影响力有限。若要控制膜孔大小，可主要通过控制铸膜液中DMAc/H2O的配比以及PES浓度来达到目标。膜铸膜液中PVP和LiCl的添加量对膜的抗污染能力影响很大，它们的加入能提高膜的抗污染能力，从而增加膜的寿命。铸膜液中PES浓度为19 wt.％，PVP浓度为5wt.％，LiCl添加量为1wt.％，DMAc/H2O为60/40时，形成的膜综合性能较好。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 聚醚砜膜材料概述

1．1．1 聚醚砜树脂

1．1．2 聚醚砜的应用

1．2 水处理产业面临的问题

1．3 分离膜的发展及聚醚砜膜的国内外研究现状

1．4 PES膜亲水改性的主要方法

1．5 PES平板膜的成膜机理

1．6 添加荆改性膜的机理

第二章 课题研究思路及研究内容

2．1 课题的提出与意义

2．2 课题研究思路和实验方案

2．3 课题研究的主要内容

2．3．1 铸膜液配比对PES膜结构与性能的影响

2．3．2 凝固浴配比对PES膜结构与性能的影响

第三章 实验部分

3．1 实验材料与设备

3．2 PES制膜过程

3．3 测试与表征

3．3．1 黏度测试

3．3．2 水通量测试

3．3．3 接触角测试

3．3．4 含水率测试

3．3．5 孔径测试

3．3．6 截留分子量测试

3．3．7 污染指数测试

3．3．8 扫描电子显微镜观察膜的表观结构

第四章 结果与讨论

4．1 单因素实验结果分析

4．1．1 聚合物浓度对PES膜性能与结构的影响

4．1．2 PVP添加量对膜性能与结构的影响

4．1．3 LiCl浓度对膜性能与结构的影响

4．1．4 单因素实验小结

4．2 正交实验结果分析

4．2．1 各铸膜条件对铸膜液黏度与膜孔的影响

4．2．2 各铸膜条件对膜各性能的影响

4．2．3 铸膜最优工艺

4．2．4 正交实验小结

第五章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 课题不足与展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢