基于超分子化学作用的PVDF膜改性及其在处理低浓度含油废水中的应用研究

论文摘要

本文研究了基于超分子化学作用的多孔聚偏氟乙烯（PVDF）膜的表面亲水改性及其在处理低浓度含油废水中的应用。 首先，提出了基于超分子化学作用的多孔PVDF膜表面亲水改性的机理。超分子化学作用是基于分子间的非共价键相互作用而形成的分子聚集体的化学，主要研究两个或多个分子通过分子之间的非共价键的弱相互作用，如氢键、范德华力、偶极／偶极相互作用、亲水／疏水相互作用及它们之间的协同作用而生成的分子聚集体的结构和功能。作为超分子化学中的一个分支，层状组装超薄膜的构筑和功能化一直是超分子科学研究中的热点，层状组装超薄膜的成膜推动力有静电力、氢键、配位键、电荷转移、范德华力、π-π相互作用、分子识别或上述几种作用力的协同。尽管上述都是弱相互作用力，强度不大，但这些弱相互作用力叠加的结果足可以维持所获得的组装体的稳定性。氢键的形成在超分子化学中有着重要的地位，许多超分子结构是通过氢键形成的。有研究结果表明，在不存在空间阻力、电荷转移、堆积相互作用等其它效应时，结合能同氢键数目线性相关。PVA的结构式中存在—OH，其中的氢原子具有较强的活性，而PVDF的结构中存在电负性很大，原子半径很小的氟原子，当具有较强的活性的氢原子遇到电负性很大的氟原子时，由于静电力的作用而形成氢键：F…H—O，而使PVDF的表面通过氢键作用而形成一层亲水的PVA复合层。 为了确保所形成的亲水层的稳定性，利用酸性条件下的醇醛交联反应，使PVA分子与戊二醛发生部分交联，在保证改性后膜的亲水性的前提下，可以使改性膜的表面层稳定存在，同时交联网状聚合物结构还可以改善改性膜的热稳定性和机械性能。 研究了影响膜改性效果的主要因素，以纯水通量和水接触角作为考核指标，确定了多孔PVDF膜表面亲水改性的最佳实验条件，所制得的改性膜表面具有较强的亲水性，改性膜的水接触角由原PVDF膜的117°减小到35°以下，在操作压力低于0.2MPa时，纯水通量由原PVDF膜的0增加到130L／m2h以上（以杯式膜分离器死端方式测得）。改性膜的油截留率显著增大。与原PVDF膜比较，改性膜的热稳定性和机械稳定性都略有改善。 对制得的改性膜进行了表面分子结构表征。改性膜的表面—OH和—F共存，而且—OH以游离、分子间缔合和分子内缔合三种形式存在，其中缔合羟基大量存在于改性膜表面，说明存在基于氢键的分子间作用。通过比表面测定和扫描电镜观察，改性膜的孔径分布变窄，且膜的表面更趋于光滑。 用静态吸附法考察了改性膜对油滴的吸附性，膜对油分子的吸附属一级动力学吸附，且吸附过程的主要控制步骤是油分子在膜表面及膜孔内的扩散速度，因此，对膜做表面亲水改性，减小膜与油分子间的作用力是控制油分子在膜上吸附的有效途径。

论文目录

• 1 绪论
• 1.1 含油废水的主要来源及处理技术研究现状
• 1.1.1 含油废水的主要来源
• 1.1.2 含油废水的物化性质
• 1.1.3 含油废水的处理方法
• 1.2 油水分离膜的研究现状
• 1.2.1 膜分离技术的发展现状及发展趋势
• 1.2.2 油水分离膜的分离机理
• 1.2.3 油水分离的主要影响因素
• 1.2.4 油水分离膜的选择
• 1.2.5 油水分离膜的性能要求
• 1.2.6 油水分离膜研究现状
• 1.3 有机膜改性研究现状
• 1.3.1 有机膜改性方法
• 1.3.2 油水分离膜的亲水改性
• 1.4 油水分离的膜污染研究现状
• 1.4.1 油水分离膜污染
• 1.4.2 膜污染防治技术研究现状
• 1.5 处理含油废水膜分离器研究现状
• 1.6 本文的研究目的和内容
• 1.6.1 选题的目的和意义
• 1.6.2 主要研究内容
• 2 基于超分子化学作用的聚偏氟乙烯膜亲水改性
• 2.1 引言
• 2.2 基于超分子化学作用的膜亲水改性机理研究
• 2.2.1 超分子化学概念
• 2.2.2 超分子化学的研究历史及现状
• 2.2.3 超分子化学作用成膜机理
• 2.2.4 基于超分子化学作用的PVDF膜表面改性机理探讨
• 2.2.5 超分子化学作用与化学交联作用结合的PVDF膜表面改性机理探讨
• 2.3 实验所用材料及仪器
• 2.3.1 实验材料
• 2.3.2 实验设备及仪器
• 2.4 实验方法
• 2.4.1 PVDF原膜预处理
• 2.4.2 PVDF膜的亲水改性
• 2.4.3 改性膜后处理
• 2.4.4 膜的纯水通量测定
• 2.4.5 膜的接触角测定
• 2.5 结果与讨论
• 2.5.1 基于氢键作用的PVDF膜改性实验结果
• 2.5.2 氢键与化学交联共同作用的PVDF膜表面改性
• 2.5.3 基于分子间作用的PVDF膜表面改性
• 2.5.4 三种结果的比较
• 2.6 本章小结
• 3 改性膜的性能及表面结构表征
• 3.1 引言
• 3.2 测试及表征仪器和方法
• 3.2.1 测试及表征仪器
• 3.2.2 测试及表征方法
• 3.3 结果分析及讨论
• 3.3.1 膜性能测试结果及分析讨论
• 3.3.2 膜表面官能团的红外表征
• 3.3.3 膜表面元素组成的的X光电子能谱分析
• 3.3.4 FTIR和 XPS结果的综合分析
• 3.3.5 膜的表面微观形貌
• 3.4 本章小结
• 4 改性膜的抗污染性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 试剂和仪器
• 4.2.2 含油水的配制及油含量测定
• 4.2.3 静态吸附实验
• 4.2.4 膜通量衰减实验
• 4.2.5 膜污染指数实验
• 4.2.6 污染后膜的表面形貌
• 4.3 结果及讨论
• 4.3.1 静态吸附实验结果与讨论
• 4.3.2 膜的抗污染性能实验结果与讨论
• 4.3.3 改性前后膜对油的吸附性比较
• 4.3.4 吸附后膜表面微观形貌
• 4.4 本章小结
• 5 旋流膜分离器分离机理及设计
• 5.1 引言
• 5.2 旋流膜分离器分离机理
• 5.2.1 两相流理论
• 5.2.2 旋流分离理论
• 5.2.3 旋流膜分离器分离机理
• 5.3 膜分离器设计
• 5.3.1 膜组件设计
• 5.3.2 膜分离器设计
• 5.4 旋流膜分离器处理含油废水模型
• 5.4.1 过滤速率的准数模型
• 5.4.2 模型的分析讨论
• 5.4.3 膜污染量预测模型
• 5.4.4 模型讨论
• 5.4.5 两个模型的综合分析
• 5.5 本章小结
• 6 旋流膜分离技术处理低浓度含油废水研究
• 6.1 引言
• 6.2 旋流膜分离技术处理低浓度含油废水实验
• 6.2.1 实验仪器
• 6.2.2 实验方法
• 6.3 实验结果及讨论
• 6.3.1 自配含油水油分散性实验结果
• 6.3.2 旋流膜分离技术处理低浓度含油废水的影响因素分析
• 6.3.3 旋流膜分离器处理含油废水的膜污染研究
• 6.3.4 旋流膜分离器处理含油废水的膜清洗研究
• 6.3.5 膜运行稳定性实验
• 6.5 本章小结
• 全文结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表论文