聚醚砜超濾膜荷電化及其表面動電現(xiàn)象的研究.pdf

1、本文分別從制膜工藝和制膜材料入手,采用一系列物理-化學方法改性聚醚砜超濾膜,期望實現(xiàn)對膜結構和性能的優(yōu)化及膜表面相關功能的賦予. 嘗試變更制膜條件和制膜工藝來完善超濾膜的制備.這部分工作中,在以聚醚砜為膜材料,二甲基甲酰胺為溶劑配制鑄膜液,去離子水為凝膠浴構成傳統(tǒng)浸沒相轉化成膜體系的基礎上,系統(tǒng)地考察了鑄膜液中添加非溶劑醋酸以及凝膠浴中添加鹽(碳酸鈉)對聚醚砜超濾膜結構與性能的影響.另外,當同時采用添加有醋酸的鑄膜液和碳酸鈉的凝

2、膠浴制膜,則伴隨溶劑與非溶劑的擴散與交換會有如下化學反應2CH<,3>COOH + Na<,2>CO<,3>→2CH<,3>COONa + CO<,2>↑ + H<,2>O發(fā)生,本文中也考察了該化學反應對聚醚砜超濾膜的孔隙率、孔徑大小、孔徑分布、以及膜形態(tài)等諸方面的影響,并初步分析了該方法在成膜過程中的作用機理.實驗表明,鑄膜液中醋酸的添加可有效地抑制膜體內(nèi)大孔隙的生成,并可顯著地提高膜的透水能力;凝膠浴中鹽(碳酸鈉)的添加有利于膜截面

3、形態(tài)由指狀孔向海綿狀孔過渡;伴隨相轉化成膜過程所發(fā)生的非溶劑添加劑醋酸與凝膠浴中碳酸鈉之間的化學反應有助于相轉化過程中的傳質過程,并且化學反應氣相產(chǎn)物的聚集、有規(guī)則的釋放等也有助于膜基體內(nèi)孔的相互貫通、膜表J面孔徑的擴大以及膜孔隙率的提高.因此,采用該化學反應修飾的浸沒相轉化法制膜有望同時獲得較高的膜水通量和相對較窄的孔徑分布. 嘗試采用共混法制備荷電化超濾膜.將荷電高分子,丙烯腈-(2-丙烯酰胺基)-2-甲基丙烷磺酸共聚物(P

4、AN-c-AMPS),與聚醚砜組成共混體系,再由浸沒相轉化法制備表面荷電化超濾膜.實驗中分別就超濾膜的通量、孔徑、表面與截而形態(tài)、表面化學組成、表而荷電狀況、及其耐污染性能進行觀察和測試.紅外光潛 (FTIR),核磁共振 (<'1>HNMR),元素分析以及高分子稀溶液的粘度實驗表明,PAN-c-AMPS 可以過硫酸鉀-亞硫酸鈉組成氧化-還原引發(fā)體系,由水相沉淀聚合法成功加以制備.利用場發(fā)射電子顯微鏡(FESEM)對膜結構的變化情況進行觀

5、測,發(fā)現(xiàn)隨著荷電高分予加入量的增加膜皮層變厚,膜截而形態(tài)由指狀孔向海綿狀孔結構轉變,并且膜表面孔隙率增大、膜孔徑均一化.由全反射紅外光譜(ATR-FTIR)、X-射線光電子能譜(XPS)等對膜表面化學組成的分析,平流式流動電位測試系統(tǒng)對膜表面荷電狀況的分析以及對膜表面靜態(tài)水接觸角的測定可知,鑄膜液在相轉化的過程中荷電基團將更傾向于在膜表面處聚集.也就是說,共混法可有效地實現(xiàn)膜表面的荷電化改性.由膜樣品分別對聚乙二醇和氯化鉀的截留實驗表明

6、,該荷電超濾膜既可依據(jù)孔徑篩分作用對中性溶質實現(xiàn)分離,又可通過與荷電溶質之間的靜電作用實現(xiàn)截留.不同共混比膜樣品表面的BSA吸附實驗表明,膜表面與BSA分子間的靜電作用對BSA分子在膜表面的吸附行為有著顯著的影響.因此,可根據(jù)實際需要,通過調節(jié)分離體系的pH來分別實現(xiàn)該膜對蛋白質的耐污染性能或對蛋白質的吸附分離性能. 嘗試采用氧化一還原體系引發(fā)膜表面的接枝聚合制備荷電化超濾膜.首先由浸沒相轉化法制備聚醚砜膜,然后在氧化一還原引發(fā)

7、體系的作用下實現(xiàn)甲基丙烯酸(MAA)在膜表面的接枝一孔填充聚合.由膜表面的全反射紅外光譜證實了膜表面接枝聚合反應的發(fā)生;由場發(fā)射電子顯微鏡對膜表面和截面形態(tài)的觀測進一步確定了接枝聚合反應發(fā)生的場所;由壓差驅動滲透實驗和濃差驅動擴散實驗表明,改性膜呈現(xiàn)出快速、顯著、可逆的pH響應性.另外,實驗中還通過大量條件實驗考察了反應條件對膜表面接枝聚合的影響,采用平流式流動電位測試系統(tǒng)研究了膜表面的荷電狀況,并由膜表面的BSA吸附實驗反映了膜改性前

8、后膜耐(蛋白質)污染性能的變化情況. 另外,本文中著重對膜表面的動電現(xiàn)象進行考察和分析,進而獲得有關膜的荷電狀況、甚至是膜孔徑變化的相關信息.首先,在利用不可逆過程熱力學和空間電荷模型理解透過式流動電位的產(chǎn)生與膜孔徑問對應關系的基礎上,嘗試通過測定不同壓力下的膜孔流動電位來定性地衡量使用同種膜材料,不同制膜工藝所得膜孔徑的變化規(guī)律.另外,在前期透過式流動電位測試系統(tǒng)研發(fā)工作的基礎上成功地構建了平流式流動電位測試系統(tǒng),并嘗試將恒電

9、流法測膜體總電導引入膜表面Zeta電位的確定過程中.測試系統(tǒng)使用結果表明,所使用的Ag/AgCl電極制備方法是簡單而實用的;將恒電流源引入流動電位測試系統(tǒng),采用四電極式恒電流法測膜體系總電導也是簡單而有效的.對多種荷電化膜表面Zeta電位的確定實驗表明,膜體系總電導對膜表面流動電位、Zeta電位的貢獻是不可忽略的.另外,通過對多組膜樣品Zeta電位的測定和比較發(fā)現(xiàn):膜表面.Zeta電位的確定不僅取決于膜表面的荷電程度,而且還與膜表面的親