超支化聚合物改性PAN超滤膜的性能研究

论文摘要

作为传统的压力驱动型膜分离过程,超滤目前已广泛应用于废水处理,饮用水纯化,血液透析和物质分离等各领域。废水处理作为其中一个重要的应用领域,过程中胶体、蛋白质、细菌等有机颗粒会沉积或吸附在膜表面或膜孔内而造成膜污染。因此提高膜本身的亲水性以预防膜污染,一直是聚合物分离膜领域的研究热点。超支化聚合物以其高度支化的特殊分子结构,以及合成简单、溶解性好、官能团众多等诸多优势,近年来受到越来越广泛的关注。过去大量基于超支化聚合物的交叉学科都相继出现,而其在聚合物分离膜领域的应用正处于起步阶段。本研究采用两步接枝表面改性方法,将超支化聚合物（HBP）接枝到聚丙烯腈（PAN）超滤膜表面,以改善其亲水和抗污染性能。首先采用紫外光（UV）辐照表面改性技术,将马来酸酐（MAH）接枝到PAN超滤膜表面。通过改变紫外光强度、紫外光辐照时间、单体MAH浓度和光敏剂二苯甲酮（BP）浓度,考察接枝条件对MAH在PAN膜上接枝率的影响,找到MAH紫外接枝的最优化条件。在本实验条件下,MAH紫外接枝的最佳条件为：紫外灯瓦数150W,辐照时间25min,光敏剂浓度15mmol/L,单体浓度20g/L。在此接枝条件下,单体MAH在PAN膜表面的接枝率为19.7μg/cm2。第二步,利用马来酸酐酸酐基团与端羟基超支化聚合物（也称超支化聚酯,HPE）的酯化反应,在催化剂的催化作用下将末端带有不同羟基数的超支化聚酯（H20、H30、H40）接枝到PAN膜上。本实验结果表明,在第一步MAH接枝率相同的情况下,HPE在PAN膜表面的接枝率也基本相同,约为0.15×10-6mol/cm2。本论文采用傅里叶红外光谱（FT-IR/ATR）表征膜表面化学成分的变化；采用场发射扫描电镜（SEM）表征PAN膜表面形貌的变化；采用水接触角（CA）表征膜表面亲水性的变化。结果证明,通过接枝反应,MAH单体和HPE均成功接枝到PAN膜表面。PAN原膜以及表面接枝了MAH单体、H20、H30、H40后的改性膜的起始水接触角分别为70.6°,62.4。,60°,57.8°和57.5。。由此可见,PAN膜表面接枝MAH单体和HPE后,膜的亲水性均有所改善,且接枝H30和H40对亲水性的改善效果更好。对PAN超滤膜和表面接枝了MAH和HPE的膜进行动态抗污染性研究,结果表明,表面接枝改性后,PAN超滤膜的抗污染性得以提高,并且表面接枝了MAH后又接枝HPE的膜比表面仅接枝MAH的膜表现出更强的抗污染性。PAN原膜被牛血清蛋白溶液污染后的通量衰减率最高,达到了83%,经去离子水清洗后通量恢复率最低,仅为37%；而表面经过H40改性的PAN膜污染后通量衰减率和清洗后的通量恢复率分别为46%和82%,是所有改性膜中最好的。这说明,PAN膜表面经过HPE接枝改性后,不仅改善了其亲水性而且还明显改善了其抗污染性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 膜与膜技术概论
• 1.3 超滤膜的亲水改性研究
• 1.3.1 超滤膜技术
• 1.3.2 膜污染
• 1.3.3 共混改性
• 1.3.4 表面物理改性
• 1.3.5 表面化学改性
• 1.4 亲水改性单体及应用
• 1.4.1 马来酸酐
• 1.4.2 超支化聚合物
• 1.5 课题的意义及研究内容
• 1.5.1 课题的意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 1.5.3 课题创新点
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验试剂和仪器
• 2.1.1 试剂
• 2.1.2 仪器
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 PAN接枝马来酸酐MAH
• 2.2.2 PAN接枝超支化聚合物
• 2.3 改性膜结构表征
• 2.3.1 膜结构表征
• 2.3.2 膜表面接触角（CA）的测定
• 2.3.3 FT-IR分析
• 2.4 改性膜性能测试
• 2.4.1 实验装置
• 2.4.2 去离子水通量测试
• 2.4.3 抗蛋白质污染测试
• 第三章 PAN超滤膜接枝MAH及HBP
• 3.1 PAN膜表面UV接枝MAH
• 3.1.1 紫外光强度对MAH接枝率的影响
• 3.1.2 紫外光辐照时间对MAH接枝率的影响
• 3.1.3 光敏剂二苯甲酮（BP）浓度对MAH接枝率的影响
• 3.1.4 MAH浓度对单体接枝率的影响
• 3.2 HBP在PAN膜表面的接枝
• 3.3 本章小结
• 第四章 改性膜的结构及性能表征
• 4.1 改性膜结构表征
• 4.1.1 表面改性对膜表面和断面形貌的影响
• 4.1.2 表面改性对PAN膜亲水性的影响
• 4.1.3 不同膜表面FT-IR/ATR分析
• 4.2 不同PAN膜性能表征
• 4.2.1 不同膜的纯水通量表征
• 4.2.2 不同膜的抗污染性表征
• 4.2.3 不同污染膜通量恢复表征
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的学术论文