双连续结构聚偏氟乙烯微孔膜的制备、亲水改性及其在油水分离中的应用

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:YNiit562552379
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聚偏氟乙烯(PVDF)因其优异的物理化学性质,被广泛用于微滤、超滤膜的制备。然而,它的强疏水性往往导致严重的膜污染并降低膜的渗透通量,使得膜寿命缩短;此外,传统PVDF膜用于油水分离时效率低。考虑到双连续结构微孔膜的渗透通量高、分离选择性好、并且机械强度满足使用要求,本论文从非溶剂诱导相分离(Nips)法制备双连续结构PVDF膜出发,针对以上两个问题展开研究。采用原位聚合以及原位交联方法提高PVDF膜的亲水性、抗污染能力,并在亲水改性的基础上,通过合理控制表面结构得到高效PVDF油水分离膜。具体的研究内容和结果如下:  (1)研究不同相转化参数对PVDF膜形态结构的影响。结果表明,磷酸三乙酯(TEP)为溶剂制备的微孔膜具有互穿网络双连续结构,膜孔之间连通性最好。以PVDF/TEP/水体系制膜时,增加凝固浴中溶剂含量、提高凝固浴温度或降低聚合物浓度均可减小皮层厚度、提高表面开孔率。通过控制制备参数,最终得到双连续结构PVDF微滤、超滤膜,所得膜有效孔径分布窄因而具有高分离选择性,且渗透性能优异。  (2)为减少膜污染,在PVDF溶液中原位聚合甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)制各双连续结构亲水膜。所得膜表面PHEMA含量高于本体含量,亲水组分存在明显的表面富集现象。因表面PHEMA含量更多,经原位聚合改性的PVDF膜比普通共混法制备的PVDF/PHEMA膜具有更出色的亲水性、抗污染能力,干态下仍表现出优异的渗透性能。然而,由于PHEMA为醇溶性,所制备的PVDF膜耐醇性差,乙醇溶液可导致亲水组分流失,影响膜的亲水性。  (3)为提高亲水组分在膜中的稳定性从而赋予膜持久的亲水性,设计原位交联法用于制备亲水PVDF膜。整个制备过程涉及两个关键化学反应,即N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)与乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)的共聚以及共聚产物PVP-VTES的水解缩合交联反应。与原位聚合NVP得到的PVDF/PVP膜相比,经原位交联改性的PVDF膜因亲水组分形成交联结构、稳定性好,表面亲水组分含量多,具有更出众、更稳定的亲水性。膜表面蛋白吸附量减少,过滤过程中膜污染程度降低。后采用相同的方法,通过改变凝固浴组成制备了高通量、双连续结构亲水PVDF微滤膜。  (4)在原位交联法亲水改性的基础上,通过构建多尺度表面结构,制备出超亲水、超亲油、水下超疏油、油下超疏水的PVDF微孔膜。因具有可切换的传质性能,所得膜对液滴尺寸大于20 nm的水包油乳液和油包水乳液均适用,并且分离效率高,渗透性能、循环使用性以及抗污染能力优异。
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