我国水资源匮乏、水质问题突出，随着用水需求量持续增长，导致水资源的供需矛盾严重。水处理是解决这一矛盾的有效途径[1]。膜分离技术由于兼有占地面积小、分离效率高、能耗低、操作简单、出水水质好且稳定等优点被广泛应用在水处理的各个领域中，已被公认为未来最具发展前景的水处理技术，是世界各国竞相发展和重点支持的战略产业方向[2]。同时，“十四五”期间，我国深入打好碧水保卫战的战略需求将驱动高标准处理技术的持续应用，为膜法水处理技术带来了快速发展的机遇。

膜分离技术的核心是膜。膜的种类有很多，主要有聚合物膜、金属膜和无机膜等[3],其中，聚合物超滤膜因其加工成形简单，已被广泛研究和应用。目前己商品化的超滤膜材料有聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PES)、聚砜(PSF)、聚丙烯腈(PAN)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)等。但是，这些膜材料普遍存在生产成本高的问题[4]。在市场前景看好的水处理行业，由于数量众多的中小企业已经卷入价格战的漩涡，利润率水平比前几年明显下降，即使规模大一点的企业，利润率可能还达不到10%。因此，如何开发性能优异、价格较低的聚合物超滤膜，已成为水污染防治进程中亟需解决的问题。

氯化聚氯乙烯(CPVC)是由PVC树脂经过进一步氯化制得的，具有价格低廉、耐高温、抗腐蚀和阻燃等特性[5],已被广泛应用于管材、注塑成型、压延薄板、复合材料、装饰板、发泡材料和黏合剂等领域。目前，以CPVC作为成膜聚合物制备超滤膜材料已逐渐成为水处理行业的研究热点[6,7,8,9,10,11,12,13]。Liu等[14]以PVC和CPVC为膜材料，以聚乙二醇(PEG2000)和聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物(Pluronic F127)为致孔剂和表面改性剂，制备了CPVC超滤膜，研究发现膜材料中CPVC的增加可以提高PVC/CPVC共混膜的纯水通量，且Pluronic F127的加入使防污能力增强。Chen等[15]使用两亲性共聚物苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMA)与CPVC共混以调节膜的微孔结构，显著提高了膜的孔隙率和渗透性。刘倩文等[16]探讨了聚乙二醇分子量对CPVC/聚乙烯醇缩丁醛(PVB)超滤膜微观结构及其性能的影响，发现PEG6000作为添加剂时，CPVC/PVB共混膜的性能较优。然而，聚合物含量也是影响超滤膜结构及性能的一大重要因素。马玉新等[17]研究了聚合物含量对聚砜(PSF)超滤膜结构及性能的影响，结果表明聚合物比例对膜的纯水通量、接触角、牛血清蛋白截留率以及断裂强度均有影响。吴鑫等[18]研究了铸膜液聚合物含量对PES/磺化聚砜(SPSf)超滤膜结构及性能的影响，结果表明铸膜液聚合物含量的变化影响了膜的表面孔径及亲水性，对PES/SPSf膜结构及其渗透分离性能有着重要的影响。但是，目前未见通过改变CPVC含量来探究其对膜性能及结构的影响的文献报道。

本文以CPVC为原材料，聚乙二醇6000(PEG6000)为致孔剂，N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂，采用浸没沉淀相分离法制备CPVC平板超滤膜，研究CPVC含量对CPVC平板超滤膜结构和性能的影响。

CPVC:分析纯，美国路博润化工公司；PEG6000:分析纯，辽宁奥克医药辅料股份有限公司；DMAc(纯度99.80%)、牛血清白蛋白(BSA,纯度96.00%):上海麦克林生化科技有限公司。

场发射扫描电子显微镜(SEM):S-4800,日本日立公司；紫外可见分光光度计：L5S,芜湖标科仪器设备有限公司；光学接触角测量仪：DSA25B,德国KRUSS(克吕士)中国公司；电子织物强力机：YG026Q,宁波纺织仪器厂；纯水通量及截留率测试装置：自制；数显旋转黏度计：NDJ-5S,上海力辰邦西仪器科技有限公司；电子天平：MTB2000,诸暨市超泽衡器设备有限公司；电动搅拌器：H2004G,上海梅颖浦仪器仪表制造制造有限公司；数字恒温水浴锅：HH-6,金坛区西城新瑞仪器厂。

采用浸没沉淀相分离法制备CPVC平板超滤膜，具体制备过程：首先称取一定质量分数的CPVC、PEG和DMAc, 如表1所示，依次倒入250 mL干燥洁净的三口烧瓶中，再放在70 ℃恒温水浴锅内搅拌8 h, 得到均匀的铸膜液；其次在形成均匀的铸膜液后，停止机械搅拌，恒温脱泡8 h; 然后将均匀铸膜液平缓连续地倒在玻璃板(尺寸25 cm×25 cm)上，用刮棒刮成一定厚度(0.23 mm),迅速地把玻璃板放入温度为30 ℃的凝固浴中，铸膜液固化成膜，直至膜层从玻璃板上漂浮起来；最后将平板超滤膜放入去离子水中浸泡24 h, 以去除膜表面和内部的多余溶剂，取出待测。

不同聚合物含量下，高分子链的振动频率有所不同，因而相互缠结的程度不同。采用旋转黏度计测定不同聚合物含量下铸膜液的黏度变化规律。

将平板超滤膜经液氮脆断和喷金处理后，对CPVC平板超滤膜的截面和表面形貌进行观察，并使用Nano Measurer 1.2软件对其进行孔径分布分析。

聚合物膜的孔隙率是影响膜性能的重要参数之一[17],因此孔隙率是表征膜性能的一大重要指标。孔隙率是膜孔隙内的体积与膜总体积比[19],本文采用湿重法来测定CPVC平板超滤膜的孔隙率。裁取3块面积为19.00 cm2的湿膜样品，擦除表面多余的水滴，测其湿重，再将其放入烘箱中烘至完全干燥，测其干重。式(1)为孔隙率(ε)计算公式：

ε=m1−m0ρwAd×100%ε=m1-m0ρwAd×100% (1)

式中，m1-膜湿重，g; m0-膜干重，g; ρw-水的密度，g/cm3;A-膜面积，cm2;d-膜厚度，cm。

采用图1超滤性能评价装置按照GB/T 32360—2015考察CPVC平板超滤膜的纯水通量。采用公式(2)计算膜的纯水通量：

P=VstΡ=Vst (2)

式中，P-膜的纯水通量，L/(m2·h);V-收集产水的体积，L;S-膜测试的有效面积，m2;t-透过体积为V的产水所用的时间，h。测试装置如图1所示。

采用超滤性能评价装置，利用死端过滤[20]的方式，按照GB/T 32360—2015考察CPVC平板超滤膜的BSA截留率。按国标规定绘制质量浓度-吸光度标准曲线，得到其标准回归方程为y=0.868 5x+0.029 5,再采用公式(3)计算其截留率。

R=(1−CpCf)×100%R=(1-CpCf)×100% (3)

式中，R-截留率，%;Cp-滤过液质量浓度，g/L;Cf-原液质量浓度，g/L。

采用光学接触角测量仪对CPVC平板超滤膜的亲水性能进行测试。

按照GB/T 1040.3—2006考察CPVC平板超滤膜的拉伸性能。平板超滤膜尺寸15 mm×80 mm, 夹持长度30 mm, 拉伸恒速50 mm/min。每种平板超滤膜试样测3次，结果取平均值。

膜的相转化，它是一个复杂的热力学和动力学过程。聚合物含量是影响相分离过程的重要因素。聚合物含量如果比较低，黏度就会太小，不利于膜的成型并且膜的强度越低；聚合物含量如果比较高，黏度就会太大，导致成膜困难。所以，测量不同聚合物含量对铸膜液黏度的影响是十分重要的，CPVC聚合物含量对铸膜液黏度的影响如图2所示。从图中可以看出，随着CPVC含量的增加，所得到的铸膜液黏度逐渐增大。其原因是CPVC含量较低时，CPVC分子链之间的相互缠绕程度低，溶液黏度低；当CPVC含量升高时，CPVC分子链之间的相互缠绕程度高，溶液黏度就变大。当CPVC含量增加到21.5%时，铸膜液的黏度达到15 560 mPa·s, 制备超滤膜的实验过程中流动性较差。

图3和图4分别为不同CPVC含量时CPVC平板超滤膜截面和表面的电镜照片。由图3可知，所制备的CPVC平板超滤膜具有两层结构，一部分是比较致密的皮层，一部分是理想的海绵状孔结构，且随着CPVC含量的增加，致密皮层也逐渐变厚，由1.90 μm(CPVC含量为15.5%)增加到2.90 μm(CPVC含量为21.5%)。这是因为所使用的凝固浴为水，水是一种强非溶剂，将刮好的膜放入凝固浴时，这时膜还处于一种液态，里面的溶剂DMAc和水发生迅速的双扩散，铸膜液进入水中的那一刻，和水发生瞬时分相，形成比较致密的皮层结构。另外，由图4和图5可知，当CPVC含量从15.5%增加到21.5%时，所制备的平板超滤膜的致密皮层表面的孔径逐渐变小，从0.80 μm减小到了0.41 μm。原因可能是随着CPVC含量的增加，铸膜液黏度增加，在双扩散过程中，PEG亲水分子的扩散也会因为黏度的增加而变得缓慢，导致膜表面孔径变小。

图6为CPVC含量对CPVC平板超滤膜孔隙率的影响。由图可知，随着CPVC含量从15.5%增加到21.5%,膜的孔隙率从45.2%逐渐减小到30.0%。这主要是因为当CPVC铸膜液与凝固浴接触时，发生相转化形成膜层，当CPVC含量较低时，铸膜液黏度较低，DMAc与水双扩散的过程较快，PEG亲水分子的扩散较快，形成的膜孔径较大，孔隙率较大；而当CPVC含量升高时，铸膜液黏度增大，PEG亲水分子的扩散也会因为黏度的增加而变得缓慢，导致膜表面孔径变小，孔隙率逐渐减小。

图7为CPVC含量对膜纯水通量和截留率的影响。由图可知，随着CPVC含量的增加，膜的纯水通量呈逐渐下降趋势，截留率呈逐渐上升趋势。随着CPVC含量的增加，铸膜液黏度增大，DMAc和水的双扩散过程受到阻碍，导致CPVC平板超滤膜表面孔径减小，孔隙率减小，且膜表面皮层随着CPVC含量的增加变得更加致密，增大了水的传输阻力，从而使得CPVC超滤膜渗透性显著降低，截留率增大。当CPVC含量为21.5%时，所制备的CPVC超滤膜的纯水通量为498.67 L/(m2·h),BSA截留率为90.96%。

表2为CPVC超滤膜与其他超滤膜的纯水通量和BSA截留率对比。从表2可以看出，通过对CPVC含量的考察，所制备的CPVC超滤膜具有优异的综合性能，具有广泛的应用前景。

图8为不同CPVC含量时CPVC平板超滤膜的接触角。由图可知，随着CPVC含量从15.5%增加到21.5%,膜的接触角从92.6°升高到98.1°,变化不大。这是因为膜的接触角与平板膜的亲水性及其表面的致密性有关。随着CPVC含量增加，CPVC平板超滤表面的孔径逐渐减小，导致水分子进入膜内部越来越困难，疏水性略微增大。

图9为CPVC含量对CPVC平板超滤膜拉伸强度的影响。由图可知，随着CPVC含量的增加，膜的拉伸强度和断裂伸长率均逐渐增大。这是因为随着CPVC含量的逐渐增大，所制备的膜的致密皮层逐渐变厚，且孔隙率逐渐减小，增强了膜内部结构的结合力，导致拉伸强度和断裂伸长率逐渐增大。

1)CPVC含量对CPVC平板超滤膜的结构和性能有极大的影响。铸膜液的黏度、膜的断裂强度和截留率均随着CPVC含量的增加而逐渐增大，而膜的孔隙率、亲水性和纯水通量随着CPVC含量的增加而逐渐减小。

2)当CPVC含量为21.5%时，所制备的CPVC超滤膜的纯水通量为498.67L/(m2·h),BSA截留率为90.96%。