【摘要】：聚偏氟乙烯(PVDF)超濾膜因具有較優(yōu)異的機(jī)械性能,熱穩(wěn)定性能和耐化學(xué)腐蝕性能而被廣泛應(yīng)用在水處理中。然而PVDF膜很容易被蛋白質(zhì),油滴等有機(jī)物污染,限制了PVDF膜的進(jìn)一步應(yīng)用,膜表面親水改性可以有效提高其抗污染能力。本論文使用具有三維交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)水凝膠對分離膜進(jìn)行改性,這種結(jié)構(gòu)可以結(jié)合和儲存更多的水分子,形成更穩(wěn)定的水化層來抵抗蛋白質(zhì)的污染。丙烯酰甘氨酰胺(NAGA)側(cè)鏈含有雙酰胺基團(tuán),其聚合物可以在不加化學(xué)交聯(lián)劑的情況下,通過分子鏈間和分子鏈內(nèi)的氫鍵自主裝形成物理凝膠,減少了引入毒性的風(fēng)險,有益于分離膜在生物、醫(yī)藥及含油廢水等領(lǐng)域的應(yīng)用。(1)首先合成PNAGA微凝膠,然后將其與PVDF粉末進(jìn)行溶液共混,最后通過相分離方法成膜。在相分離過程中,納米微球通過表面偏析,在膜的表面以及膜孔內(nèi)富集,從而實現(xiàn)分離膜的親水化改性。接觸角測試結(jié)果表明PVDF/PNAGA微凝膠共混膜的接觸角為78±3°。以牛血清蛋白(BSA)為模型蛋白,測試了其抗蛋白質(zhì)污染能力,結(jié)果顯示通量恢復(fù)率可達(dá)96%,并且在三次循環(huán)過濾中保持穩(wěn)定。(2)為了獲得具有更加優(yōu)異親水性能的分離膜,通過紫外輻射引發(fā)的自由基聚合將PNAGA接枝到了PVDF膜表面。接觸角測試表明改性PVDF膜的接觸角可低至55±2°,并且在11 s內(nèi)降為0°。超聲30 min和7天純水過濾測試表明PNAGA水凝膠層具有良好的穩(wěn)定性。四次通量循環(huán)測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)通量恢復(fù)率一直保持在99%左右,不可逆污染指數(shù)僅為1.2%。最后通過log(d2t/dV2)與log(dt/dV)的特征曲線對其污染機(jī)理進(jìn)行研究,結(jié)果表明PNAGA水凝膠接枝膜的表面不易形成污垢層是其具有優(yōu)異抗污染性能的主要原因。(3)進(jìn)一步研究了PNAGA表面改性PVDF膜對油水乳液的分離性能。接觸角測試表明其水下油滴接觸角為160±4°,具有較優(yōu)異的水下超疏油性能。水包油乳化溶液的過濾測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)其對油滴的截留率可達(dá)91.4%,通量恢復(fù)率可達(dá)98%。考慮到實際生產(chǎn)、生活中的含油廢水具有更復(fù)雜的體系,還測試了改性膜對含有BSA油水乳液的過濾性能,結(jié)果表明改性膜的通量恢復(fù)率仍然高達(dá)98%,而原膜的通量恢復(fù)率僅為57%。這說明改性膜在過濾復(fù)雜體系的溶液時,仍具有較優(yōu)異的抗污染能力。
【學(xué)位授予單位】：天津工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ051.893
【圖文】：

膜污垢清潔、分離膜更換等，因此在水處理過程中，膜的使用仍然存在一些限制。逡逑膜分離技術(shù)面臨的重大挑戰(zhàn)中，膜污染引起的效率下降是主要的。在過濾時，液逡逑體容易通過膜，而懸浮粒子和溶解大分子被攜帶至膜表面（圖１－１Ａ），截留的物質(zhì)逡逑會堵塞膜孔（圖１－１Ｂ），在膜表面形成污染層（圖１－１Ｃ）［６］。膜污染根據(jù)污染物質(zhì)的逡逑不同可分為不同的類型，包括有機(jī)污染、無機(jī)污染、生物污染等。顆粒、離子、逡逑大分子和天然生物物質(zhì)廣泛存在于水環(huán)境中，所以膜分離實際操作過程存在多重逡逑污染物，例如油滴、微生物、蛋白質(zhì)、生殖酸、鹽、二價離子等對膜的污染。膜逡逑表面上多組分污染物的沉積被稱為多污染，這些污染與膜表面的結(jié)構(gòu)以及功能性逡逑基團(tuán)有關(guān)。膜污染包括可逆污染和不可逆污染，不可逆污染會增加膜滲透阻力，逡逑導(dǎo)致滲透通量大量下降，這樣就要經(jīng)常對膜進(jìn)行清洗或者對膜進(jìn)行更換，從而增逡逑加分離成本

時得出來的結(jié)論甚至?xí)嚆！Ｓ绊懛蛛x膜抗污染的因素很復(fù)雜，包括范德華力，逡逑氫鍵，粗糙度，電荷等。但普遍認(rèn)同的機(jī)理有三種，包括“空間位阻理論”，“水逡逑化層理論”和“表面電荷理論”（如圖１－２所示）。逡逑圖１－２分離膜抗污染機(jī)理圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ａｎｔｉ－ｆｏｕｌｉｎｇ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ逡逑１．２．１空間位阻理論逡逑抗污染機(jī)理是基于對ＰＥＧ基聚合物的抗污染性能研究而逐步建立起來的。逡逑ＰＥＧ是傳統(tǒng)的具有優(yōu)異抗蛋白質(zhì)污染性能的物質(zhì)。ＰＥＧ分子的抗污染機(jī)理通常逡逑用空間位阻模型來解釋。這種模型認(rèn)為ＰＥＧ分子鏈能結(jié)合大量水分子，并且具逡逑有很大的排除體積，從而阻止蛋白質(zhì)接觸并且粘附在材料表面。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)分子接逡逑觸ＰＥＧ分子鏈時，會發(fā)生一定程度的粘附，并且在較大程度上壓縮ＰＥＧ鏈，ＰＥＧ逡逑分子鏈構(gòu)象發(fā)生改變，此過程伴隨著熵減，分子鏈處于一種不穩(wěn)定狀（如圖１－３逡逑所示）。ＰＥＧ分子鏈在水溶液中具有良好的運(yùn)動性從而產(chǎn)生大的排除體積，快速逡逑２逡逑

抗污染機(jī)理的主要理論之一。水化層理論認(rèn)為抗污染材料表面分子鏈?zhǔn)紫韧ㄟ^氫逡逑鍵作用與大量水分子緊密結(jié)合，從而形成水化層，并且形成屏障來抵抗蛋白質(zhì)對逡逑材料表面的吸附，蛋白質(zhì)如果要吸附到材料表面，必須打破這層屏障（圖１－４Ａ）。逡逑另外，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的維持需要水分子來參與必要?dú)滏I的形成，而親水性抗污染表逡逑面可以結(jié)合大量水分子，不會影響到蛋白質(zhì)分子表面和內(nèi)部的水分子，可以有效逡逑維持蛋白質(zhì)分子的三維結(jié)構(gòu)［１４］。逡逑研宄者們在了解水化層對抗污染起到關(guān)鍵作用后，嘗試采用各種方式對抗污逡逑染表面的水分子進(jìn)行研究，并且深入探索水化層中水分子的性質(zhì)及材料表面抗污逡逑染機(jī)理。Ｉｓｈｉｈａｒａ等［１５＿１６］發(fā)現(xiàn)了磷酸膽堿的生物相容性之后，嘗試采用紅外，拉逡逑曼和差示掃描量熱等方法分析水分子與磷酸膽堿的相互作用，結(jié)果表明材料表面逡逑的可凝固結(jié)合水對聚合物的生物相容性起著主導(dǎo)作用，因為它能防止蛋白質(zhì)直接逡逑與材料表面或者是不可凝固結(jié)合水接觸。此外磷酸膽堿表面的水分子存在類似于逡逑３逡逑

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