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本文利用切向法和透过法两种流动电势表征方法,研究了聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯腈(PAN)超滤膜在电解质溶液中离子吸附原理、渗透性能和膜污染等。研究结果如下：
首先,采用相转化法制备了通量0.8m3/(m2hMPa)和截留分子量40000Da的PVDF中空纤维超滤膜,测定了PVDF膜在纯水和不同电解质溶液中的电性能。结果表明：在pH5.9下膜在不同浓度电解质溶液中的zeta电势值随着浓度升高而降低；在1mM不同电解质溶液中,膜在电解质溶液中的电势顺序为:MgCl2>KCl>K2SO4>MgSO4(pH<7);MgCl2>MgSO4>KCl>K2SO4(等电点);K2SO4>KCl>MgCl2≈MgSO4(pH>7)。考察了不同浓度的四种电解质溶液对膜电性能和表面离子密度的影响,分析了不同电解质溶液中的离子在膜表面的吸附能力。根据这些溶液中的膜渗透性能,分析了膜表面电性能对膜截留率与通量的影响及其相互联系,压力与通量线性关系良好,膜通量在等电点处最大,而截留率在等电点附近出现极小值,与膜表面电势结果吻合。
其次,通过离子迁移速率理论公式的推导,确立了溶液中离子迁移速率应受离子的水合半径而非结晶半径的影响,而离子迁移速率决定中性膜在电解质溶液中的膜表面电性能。通过离子迁移速率理论公式计算得出四种离子迁移速率的顺序为:SO42>Mg2+>K+>Cl-。溶液中阴阳离子的迁移速率的差异决定了中性膜在四种电解质溶液中等电点位置和电势曲线图。PVDF膜在MgCl2溶液中的等电点在pH7.4处,MgSO4溶液在pH7.0处,KCl溶液在pH6.9在处,KESO4溶液在pH5.4处,即MgCl2>MgSO4>KCl>K2SO4。膜在MgSO4溶液中的电性能在整个pH测量范围内都很低,这是因为二价反离子有更快的迁移速率,比一价反离子有更强的中和膜表面电荷的能力。采用Donnan电势分析溶液中同离子和反离子的吸附对膜等电点偏移的影响。随着电解质浓度的升高,膜表面吸附的同离子浓度也随之增大。在等电点和原溶液之间的pH范围内,同离子就是迁移速率更快的离子,因而此时同离子对膜表面电势的影响更大。微观尺度的膜表面与离子之间的相互作用影响了宏观的膜的渗透性能,膜的等电点对于膜的渗透性能的影响也非常大。
随后,对亲水改性PAN膜,考察了反应浓度、温度等条件对膜改性的影响。采用红外方法表征了水解反应,采用SEM考察了膜改性前后外表面和横断面的变化,检测膜改性前后溶胀度的变化以及膜渗透性能的变化。利用离子交换滴定技术考察了膜表面羧基密度,并计算改性50min的膜表面聚丙烯酸厚度可达10.8nm,这说明膜表面的聚丙烯酸远不止一层。采用切向法分析了膜表面电性能的变化,讨论了膜在1g/LKCl、MgCl2和AlCl3溶液中的电性能。原膜的zeta电势在KCl和MgCl2溶液中都很平稳,改性膜的电势要灵敏得多。改性膜在KCl溶液中皆为负值,在MgCl2溶液中有等电点,分别在pH 5.5(30min)和6.2(50min)处。尤其是在AlCl3溶液中,由于胶体沉淀的形成和吸附,对膜表面电性能产生重大影响。分析了pH3下膜在三种电解质溶液中的表面离子密度,其表面离子密度大小顺序为:AlCl3>MgCl2>KCl,说明价态更高的阳离子对膜表面电荷有更强的影响力。最后,考察了PVDF膜在鸡白蛋白和溶菌酶溶液中的污堵机理,其中膜对鸡白蛋白完全截留,而对溶菌酶部分截留。SEM结果表明膜在鸡白蛋白溶液中外表面被完全覆盖,而在溶菌酶中表面还有明显的凹凸感。探讨了蛋白质污堵对膜表面电性能的影响,以及不同电解质溶液缓冲溶液对膜电性能的影响,表明蛋白质对膜的表面性能起主导作用,溶液中的电解质只是从属影响膜的性能。利用紫外分光光度法测定了两种蛋白质的吸收曲线和膜在不同pH下蛋白质溶液中的吸光度变化,鸡白蛋白溶液在等电点处的吸光度最大,而溶菌酶的吸光度随着pH的增大而增大。分析了不同蛋白质吸附时间中的蛋白吸附量,膜在鸡白蛋白溶液中等电点处的吸附量最大,而在酸性条件下的吸附量次之；在碱性条件下的吸附量却非常小；而膜在溶菌酶溶液中的吸附量随pH增大而增大。测试了膜在不同pH下蛋白溶液中的通量衰减情况,讨论了膜在不同pH下的污堵机理以及污堵速率,结合四种不同污堵模型分析PVDF超滤膜在蛋白溶液中的污堵类型,膜在不同pH下的污堵机理都是滤饼污堵模型。同时膜在等电点处的污堵速率最快,其次是酸性条件下,碱性条件下污堵得最慢。采用去离子水、KOH和NaClO溶液清洗膜,分析清洗效率和通量回复率,NaClO的通量回复率最高。