聚偏氟乙烯中空纖維膜的低溫等離子體改性與性能研究.pdf

1、聚偏氟乙烯(PVDF)材料具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐輻射性、耐熱性,以及良好的力學(xué)強度,廣泛用于水處理、化工、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域。作為微濾和超濾所使用的主要膜材料之一,表面能低、疏水性強,在使用過程中膠體顆粒、油和微生物等容易在表面吸附造成膜污染。這是膜在使用過程中分離效率下降的主要因素,限制了PVDF膜在分離體系中的應(yīng)用。PVDF中空纖維膜的低溫等離子體改性是利用等離子體照射將膜表面活化引發(fā)自由基,再引入含有羧基或酰胺基的單體進行接枝反應(yīng)

2、,最終在表面引入羧基和酰胺基等易水解的極性基團來增強膜面的親水性,提高表面能。由于接枝產(chǎn)物水解帶負電,所以能夠有效抑制膠體顆粒、油和微生物在膜表面的吸附,從而提高了PVDF中空纖維膜的分離效率。本論文通過分析PVDF改性膜的力學(xué)性能、SEM照片、紅外圖譜、接枝率研究了PVDF中空纖維膜的低溫等離子體改性方法,包括僅等離子體改性處理、等離子體引發(fā)自由基接枝聚合、涂覆接枝聚丙烯、涂覆接枝丙烯酰胺以及等離子體聚合接枝-同時照射法的改性效果,并

3、給出了合理的改性參數(shù)。對涂覆接枝AA的工藝參數(shù)做了優(yōu)化處理,給出了最優(yōu)因素水平組合。同時設(shè)計了流動電位的測定裝置,采用快速升壓法測定了PVDF中空纖維膜在0.001 mol·L-1KCl溶液中的流動電位,表明PVDF改性膜膜孔和膜面荷電能力明顯強于未改性膜。采用虹吸法測試了改性膜的清水通量,并研究了通量隨pH值的變化規(guī)律,表明在pH值較低時PVDF改性膜的通量較大。為了研究不同改性膜在分離過程中抗污染性能的差異,以凹凸棒膠體溶液為過濾原

4、液研究膜在污染過程中通量和流動電位隨時間的變化規(guī)律。本文得出結(jié)果如下:
　　 (1)采用常州市寧大等離子體研發(fā)有限公司生產(chǎn)的HD2型低溫等離子體處理儀進行聚偏氟乙烯中空纖維膜的等離子體改性。以Ar為等離子體氣體,在保證改性膜具有較好的力學(xué)性能,較高接枝率,刻蝕不嚴重,能在膜面接枝單體的情況下,采用如下工藝參數(shù),①涂覆接枝聚合丙烯酸:先將膜在50％的丙烯酸溶液中浸泡3min,輝光放電功率60W,時間2min；②涂覆接枝丙烯酰胺:將

5、膜在10％的丙烯酰胺溶液中浸泡10min,輝光放電功率70W,時間3min；③僅等離子體表面處理:采用輝光放電功率130W,放電時間10min；④等離子體引發(fā)自由基接枝聚合:采用的工藝是輝光放電210W,處理時間是3min,引入丙烯酸單體接枝30min；⑤等離子體聚合接枝-同時照射法:采用的處理過程是先等離子體處理膜表面30s,功率50w,引入丙烯酸單體,調(diào)節(jié)功率到25W,處理時間是90s。
　　 (2)用自制的流動電位測定裝置

6、,0.001mol·L-1KCl溶液為背景電解質(zhì)溶液,進行中空纖維膜表面流動電位及膜孔流動電位的實驗測定時,膜兩端壓差△P越大,流動電位絕對值也越大,電位與壓差△P呈線性關(guān)系,計算出中性條件下涂覆接枝丙烯酸、涂覆接枝丙烯酰胺、等離子體聚合接枝-同時照射法、等離子體引發(fā)自由基接枝聚合以及僅等離子體表面處理等改性膜的膜孔Zeta電位分別是-4.15mV、-3.3mV、-3.19mV、-2.66mV、-1.87mV。電荷密度分別是0.9464

7、×10-5C·m2,0.7549×10-3C·m2,0.7275×10-5C·m2,0.6066×10-55C·m2,0.4265×10-5C·m2。
　　 (3)改性膜的通量測試表明,涂覆接枝丙烯酸、涂覆接枝丙烯酰胺、等離子體聚合接枝-同時照射法、等離子體引發(fā)自由基接枝聚合以及等離子體表面處理等改性膜的通量恢復(fù)率依次是9.9％、38.3％、72.3％、28.2％、68.5％；改性膜通量隨pH變化時通量恢復(fù)率的極差(通量恢復(fù)率的

8、最大值減去最小值)依次是15.9％、22.7％、9％、6.7％、7.6％,且隨著pH值減小通量增加。起始泡點壓力的測試結(jié)果的分析說明涂覆接枝丙烯酸和丙烯酰胺的改性膜的膜孔徑變化不明顯；而等離子體聚合接枝-同時照射法、等離子體引發(fā)自由基接枝聚合以及等離子體表面處理等改性膜的孔徑變大。
　　 (4)以凹凸棒膠體溶液為過濾原液,測試改性聚偏氟乙烯中空纖維膜的分離性能及抗污染性能,結(jié)果表明同時照射法接枝丙烯酸和丙烯酰胺的改性膜通量衰減的