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添加剂对聚偏氟乙烯平板膜结构与性能的影响

发布时间:2022年3月18日 点击数:1519

我国膜分离技术的发展首先是从1958年对离子交换膜的具体研究开始的,数十年来,已经取得了长足的进步,涉及的领域已经遍及膜科学技术、材料应用及产品开发等方面。经过20年的努力,我国在膜分离技术的研发方面涌现出一批具有实用价值,接近或已达到国际先进水平的成果。但总体上,我国的膜分离技术和世界先进水平相比还是有一定的差距,有待于进一步的研究开发[1]

用相转化法[2]可制备出分离性能良好的有机高分子膜。根据成膜机理的不同可分为热致相分离(TIPS)法、非溶剂致相分离(NIPS)法和复合热致相分离(C-TIPS)法[3]

由于聚偏氟乙烯(PVDF)[4]拥有出色的物理性能和化学性能,故常把PVDF作为制备分离膜的基体材料。但用其制备的分离膜表面能较低、亲水性较差,用该分离膜进行水处理时,具有易被污染、使用寿命短等缺点。通过向铸膜液中添加亲水性化合物,可以改善PVDF膜的亲水性,使其能够被更好地应用。

本文基于热致相分离法的成膜机理,考察了聚乙二醇400(PEG400)的含量对膜的结构及性能(如膜的渗透性能、截留率、孔隙率、力学性能)的影响。

1 实验部分

1.1 实验试剂与仪器

PVDF、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、无水氯化锂(LiCl)、聚乙二醇(PEG400、PEG10000)、牛血清蛋白(BSA)。

JA3003电子天平、电热套、DW-11无级调速增力搅拌器、玻璃板、刮膜棒、分离膜评价装置、JBDL-200N电子拉力试验机、UV754PC紫外分光光度计、外径千分尺、SNB-1数字粘度计。

1.2 PVDF平板膜的制备

具体制膜条件见表1和表2。

  

表1 制膜条件  下载原图



表1 制膜条件

  

表2 添加剂含量  下载原图



表2 添加剂含量

2 结果与讨论

为了证明PEG400的加入能够改善膜表面的亲水性,本文对膜表面的动态水接触角进行了测试,最终稳定后的接触角见表3;图1是绘制的动态接触角曲线。从图中可看出在相同的制膜工艺及条件下,接触角变化的大致趋势是随着PEG400含量的增加而降低。这一现象可解释为由于PEG400的分子链中含有大量的亲水性基团,从而能够改善PVDF膜表面的亲水性,当体系为M-3时,膜的接触角最小,为92.4°。

本文还研究了3个超滤和清洗周期内向铸膜液中加入不同含量的PEG400后PVDF膜的通量随时间的变化关系,见图2;以及3个超滤和清洗周期中PVDF膜通量恢复率的变化,见图3。结果表明:在加入PEG400后,膜的通量恢复率有一定程度的提高,并且经3个BSA污染周期之后,M-3的通量恢复率超过了93%。因此,铸膜液中添加PEG400可以有效提高膜的抗污染性能。这是由于大量亲水性基团的存在使得PEG400可以很轻易地溶解在水中,能够加速溶剂-非溶剂之间的交换速率,从而加快相分离进程,促进瞬时分相,而且PEG400的存在在加快溶剂向外扩散速率的同时还会增强膜表面的亲水性及抗污染性能。该结论与动态接触角的结果一致。

图1 不同PEG400含量下PVDF膜动态接触角的变化情况

图1 不同PEG400含量下PVDF膜动态接触角的变化情况  下载原图


(PEG400含量:M-0:0wt%;M-1:2wt%;M-2:4wt%;M-3:6wt%;M-4:8wt%;M-5:10wt%)

  

表3 平板膜最终稳定后的接触角  下载原图



表3 平板膜最终稳定后的接触角
图2 3个超滤和清洗周期内添加不同含量的PEG400后膜通量随时间的变化

图2 3个超滤和清洗周期内添加不同含量的PEG400后膜通量随时间的变化  下载原图


(PEG400含量:M-0:0wt%;M-1:2wt%;M-2:4wt%;M-3:6wt%;M-4:8wt%;M-5:10wt%)

图3 通量恢复率随PEG400含量的变化关系

图3 通量恢复率随PEG400含量的变化关系  下载原图


3 结束语

通过TIPS法制备了PVDF平板膜并考察了亲水性添加剂PEG400的含量对膜性能的影响。通过对相关参数的测定,得出以下结论:向铸膜液中添加亲水性聚合物PEG400,极大地改善了膜表面的亲水性,同时也增强了膜表面的抗污染性能,当PEG400的添加量为6wt%时,膜的接触角达到最低,为92.4°,膜的通量恢复率也达到最大,为95.43%。由此可见,可通过调节制膜参数,改进制膜工艺来对膜的性能进行优化,这对于膜分离技术及水处理领域的发展具有重要意义。

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