抗污染自清潔膜表面的仿生構(gòu)建及油水分離過(guò)程強(qiáng)化研究.pdf

1、表面污染是眾多領(lǐng)域的共性科學(xué)問(wèn)題，而多孔膜表面污染(膜污染)是制約膜技術(shù)廣泛應(yīng)用于污水資源化，緩解淡水資源匱乏的瓶頸問(wèn)題。目前，低污染多孔膜表面的構(gòu)建大多遵循Whitesides的抗污染四原則，集中于強(qiáng)化表面的抗污染性能，卻忽視了自清潔性能?？刮廴灸ぴ趹?yīng)用過(guò)程中，膜的通量恢復(fù)性能雖得到明顯改善，但通量衰減依然可達(dá)1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。向自然學(xué)習(xí)，創(chuàng)新膜表面結(jié)構(gòu)調(diào)控方法和理論，制備抗污染、自清潔分離膜，提高膜應(yīng)用效率，具重要理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

2、
　　 本論文以解決污水資源化過(guò)程中聚合物分離膜表面的污染問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，選擇水處理過(guò)程中的典型污染物油類(lèi)為模擬污染物系，基于對(duì)自然界中超親水抗污染(細(xì)胞膜)和低表面能自清潔(荷葉)表面的仿生，從分子水平上設(shè)計(jì)制備主體成膜材料或膜改性劑，通過(guò)自由表面偏析和強(qiáng)制表面偏析方法原位可控構(gòu)建抗污染、自清潔多孔膜表面，分析并建立膜表面潤(rùn)濕性、化學(xué)組成及自由能等性質(zhì)與膜性能之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)膜在污水資源化中的過(guò)程強(qiáng)化。
　　 首先，受自

3、然界超親水抗污染表面(細(xì)胞膜)啟發(fā)，發(fā)展了自由表面偏析方法，構(gòu)建出抗污染膜表面。通過(guò)自由基接枝聚合將聚丙烯腈(PAN)鏈段接枝到醋酸纖維素(CA)主鏈上，制備了兩親性CA-g-PAN成膜材料，研究發(fā)現(xiàn)，CA與PAN鏈段熱力學(xué)上的差異性，加速了相轉(zhuǎn)化成膜過(guò)程，膜表皮層孔密度顯著提高，膜純水通量較CA空白膜提高近百倍，且大部分疏水的PAN鏈段在自由表面偏析過(guò)程中被包埋在膜主體內(nèi)，未影響膜表面的親水性；將無(wú)機(jī)納米顆粒原位生成過(guò)程及CA高分子成

4、膜過(guò)程相耦合，制備了CA(TEOS)超濾膜，原位生成的無(wú)機(jī)納米顆粒同時(shí)具致孔和表面改性功能，膜的通量顯著提高，親水性增強(qiáng)。上述制備的CA-g-PAN和CA(TEOS)抗污染膜，處理含油污水時(shí)，通量恢復(fù)率均大于90％，但通量衰減依然嚴(yán)重，總通量衰減指數(shù)大于50％。
　　 其次，受自然界超親水抗污染(細(xì)胞膜)與低表面自清潔(荷葉)表面啟發(fā)，創(chuàng)建了強(qiáng)制表面偏析法，構(gòu)建出抗污染、自清潔膜表面，在賦予膜表面抗污染性能的同時(shí)，賦予膜表面以自

5、清潔性能，進(jìn)一步提高膜的應(yīng)用效率。設(shè)計(jì)制備包含親水段(聚甲基丙烯酸據(jù)乙二醇酯，PEGMA鏈段或聚[3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]二甲基(3-硫代丙基)氫氧化銨內(nèi)鹽，PSPP鏈段)及非極性低表面能疏水(聚甲基丙烯酸六氟丁酯，PHFBM)段的CA-g-P(HFBM-PEGMA)成膜材料或P(HFBM-SPP)膜改性材料，通過(guò)強(qiáng)制表面偏析法，構(gòu)建出親水區(qū)/非極性低表面能微區(qū)鑲嵌的非均相表面，親水區(qū)具“污染抵御”即抗污染作用，低表面能微區(qū)具“污染

6、釋放”即自清潔作用，兩種作用的協(xié)同進(jìn)一步消除膜污染。所制備的CA-g-P(HFBM-PEGMA)或PVDF/P(HFBM-SPP)抗污染、自清潔超濾膜在處理含油污水時(shí)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了近100％的通量恢復(fù)率及超低通量衰減率(3.4％)。另外，當(dāng)親水鏈段為兩性離子類(lèi)鏈段(PSPP)時(shí)，膜還同時(shí)具智能響應(yīng)行為。
　　 最后，同樣受自然界超親水抗污染(細(xì)胞膜)與低表面自清潔(荷葉)表面啟發(fā)，基于強(qiáng)制表面偏析和微相分離調(diào)控，可控構(gòu)建出多功能抗

7、污染、自清潔膜表面，實(shí)現(xiàn)了“一膜多用”，即同一張膜適用于水處理過(guò)程中的不同類(lèi)型污染物。以聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(PEO-PPO-PEO，Pluronic F127)嵌段共聚物為基礎(chǔ)材料，接枝上不同鏈長(zhǎng)的含氟鏈段(聚甲基丙烯酸含氟酯鏈段，F(xiàn)AM)，制備出P(F127-g-FAM)三元五嵌段共聚物。研究結(jié)果表明，包含強(qiáng)親溶劑性低表面能鏈段的嵌段共聚物及強(qiáng)揮發(fā)性溶劑利于構(gòu)建兩親性PVDF/P(F127-g-HFBM)低污染膜表面，此表面