抗污染自清潔膜表面的仿生構(gòu)建及油水分離過程強(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。抗污染膜在應(yīng)用過程中，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程中聚合物分離膜表面的污染問題為出發(fā)點(diǎn)，選擇水處理過程中的典型污染物油類為模擬污染物系，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程中被包埋在膜主體內(nèi)，未影響膜表面的親水性；將無機(jī)納米顆粒原位生成過程及CA高分子成

4、膜過程相耦合，制備了CA(TEOS)超濾膜，原位生成的無機(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程中的不同類型污染物。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