含亲水三元共聚物抑菌抗污聚醚砜膜的研制

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现代社会生活中水资源短缺问题不断加剧。为了解决水资源短缺问题,许多的净水处理技术正在被研究。在这些净水处理技术中,分离膜工艺由于具有操作简单、投资低、环保和通量稳定等优点而备受关注。然而,在实际应用中常常会出现膜污染现象,使得膜技术的应用受到限制。膜污染一方面是指过滤液中含有的有机物、胶体易于吸附到膜表面和孔壁上,导致膜结垢,从而影响膜的通量和选择性,增加能耗,增加运营成本。有效抑制有机物污染的关键之一是构建亲水表面,在膜表面形成一层致密水合层,强烈结合的水分子会阻止大分子污染物吸附在膜表面,从而减少膜污染,增强膜分离性能以及延长膜寿命。因此,许多研究人员致力于研究各种亲水改性方法,包括光诱导接枝聚合、等离子体处理、涂附、化学处理以及其它方法,来改善分离膜的亲水性;另一方面,由于微生物的附着及其在膜上的生长繁殖而引起的生物污染也会造成过滤液在流动过程中的物理障碍。一般情况下分离膜的抑菌性可通过无机或金属纳米粒子改性,季铵盐改性,光催化改性以及复合法改性等方式来实现。在众多膜基材中,聚醚砜(PES)具有优异的物理化学性质,机械性能以及稳定的液压性,多年来一直是工业和实验室应用的首选材料。但PES属于疏水性材料,易于产生膜污染现象。因此本文采用共混的方式将自由基聚合得到的亲水性三元共聚物和具有抑菌性的季铵盐化合物掺入到铸膜液里,经非溶剂致相分离的方法制备一系列改性的PES复合膜,兼具抑菌和抗污特性。具体实验内容如下:(1)通过自由基聚合方法制备亲水性三元共聚物P(KH570-VP-DMAEMA),共聚物中的单体VP作为亲水性链段,单体DMAEMA作为两性离子化的位点,三元共聚物在相转化过程中可迁移到膜表面,有效阻止污染物的附着,提高膜亲水性。此外,通过季铵盐与三元共聚物之间的缩合反应,将季铵盐化合物固定到膜上,实现分离膜的抑菌改性,使膜具有长期稳定的抑菌活性。通过共混的方式将制备的亲水性三元共聚物和季铵盐化合物掺入铸膜液里,探究季铵盐化合物的不同加入量以及三元共聚物中各单体的不同比例对膜的影响,以此来改善膜的性能以及微观结构,得到最佳铸膜液配方。经非溶剂致相分离方法制备了三种PES改性复合膜,即季铵盐改性膜、三元共聚物改性膜以及同时利用季铵盐和三元共聚物的改性膜。测试结果表明,季铵盐化合物和三元共聚物均成功接枝到PES膜上;利用三元共聚物改性后的膜亲水性有明显的提高,同时发现季铵盐和三元共聚物表现出良好的协同作用,即同时利用季铵盐和三元共聚物改性后的膜,具有最高的亲水性;抗污性测试和膜微观结构测试也表明当同时利用季铵盐和三元共聚物的改性膜,表现出较好的抗污性以及几乎的海绵状微观结构;抑菌性测试表明,在铸膜液里加入季铵盐后,改性膜表现出显著的抑菌效果。(2)利用上述铸膜液配方通过干喷-湿纺工艺制备PES中空纤维膜,在实验过程中调控各纺丝工艺条件,如凝固浴的组成和温度,芯液的温度以及丝与凝固浴之间的空气距离(干纺程高度)等等,来实现高通量高截留中空纤维膜的纺制。测试结果表明,当DMAc含量占凝固浴的30%时,纯水通量达到最大值307.9 L·m~2·h-1,断裂强度以及断裂伸长率也达最大值,且膜的抗污效果也达到最佳;当凝固浴温度为30℃和35℃时,中空纤维膜的性能和结构最佳,说明此温度有助于成膜中双扩散过程的进行,且膜的固化速度适中;通过改变干纺程高度发现,当高度为16cm时,中空纤维膜的拉伸强度增加到最大值3.5MPa,断裂伸长率增加到最大值39%,且有较大的纯水通量和截留;当芯液温度为25℃时,制备的中空纤维膜具有最大的通量,较高的蛋白截留率以及优异的机械强度。
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