碳納米管與磷灰石晶須改性聚偏氟乙烯(PVDF)中空纖維超濾膜的制備與性能研究.pdf

1、本文以傳統(tǒng)的疏水性聚偏氟乙烯（PVDF）為制膜材料，使用濕法紡絲手段制備了有機-無機雜化中空纖維超濾膜，系統(tǒng)研究了共混碳納米管（MWNTs）、羥基磷灰石納米晶須（HAP）對膜性能的提升原理，并進一步探索碳納米管結(jié)構(gòu)參數(shù)以及荷電效應對膜性能影響的差異。主要分為以下四個方面：
　　首先，將酸化MWNTs處理得到O-MWNTs，與再生全氟磺酸（PFSA）對PVDF膜進行改性，制備了PVDF/PFSA/O-MWNTs中空纖維超濾膜，研究了

2、O-MWNTs含量對膜結(jié)構(gòu)、親水性、滲透性能、機械性能及結(jié)晶行為等方面的影響；探索了O-MWNTs與PFSA對膜的協(xié)同作用機理。結(jié)果表明改性后PVDF/PFSA/O-MWNTs中空纖維膜斷面為典型的非對稱結(jié)構(gòu)，隨著O-MWNTs的含量從0.25wt.％上升到0.75wt.%，膜的純水通量從100.4L·M-2·H-1·bar-1提升至229.4L·M-2·H-1·bar-1，當O-MWNTs含量增加到1.0wt.%，膜的通量有所下降，而

3、只加入單一添加劑膜的通量僅為80.7L·M-2·H-1·bar-1(3wt.% PFSA)與32.3L·M-2·H-1·bar-1(0.75wt.% O-MWNTs)。使用O-MWNTs改性后的膜親水性與抗污染性能也得到了大幅度提升。添加O-MWNTs含量為0.75wt.%的膜抗拉強度達到3.9MPa，遠遠高于僅含有單一添加劑的膜。總體來說，改性后的膜處理能力、穩(wěn)定性和使用壽命等均得到了明顯的提升，更加具備實際應用價值。
　　其次

4、，在上一章節(jié)研究基礎(chǔ)上，進一步探索了O-MWNTs結(jié)構(gòu)參數(shù)對膜性能的影響。選擇內(nèi)徑分別為10-20nm，20-40nm和40-60nm三種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的O-MWNTs進行研究。結(jié)果表明O-MWNTs結(jié)構(gòu)參數(shù)對膜結(jié)構(gòu)無明顯影響，然而膜的純水通量卻隨著碳納米管內(nèi)徑的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，分別為142.3L·M-2·H-1·bar-1,181.2L·M-2·H-1·bar-1與154.3L·M-2·H-1·bar-1，使用內(nèi)徑20-40

5、nm的O-MWNTs進行膜改性時，由于O-MWNTs內(nèi)徑的提升，增加了無阻力傳質(zhì)通道的空間，膜通量上升；然而隨著 O-MWNTs內(nèi)徑進一步上升到40-60nm，在鑄膜液制備時，劇烈的機械攪拌會使得部分PVDF浸入到O-MWNTs孔道內(nèi)，從而在成膜過程中減小了傳質(zhì)通道面積，使得膜通量下降。膜的機械性能隨著O-MWNTs內(nèi)徑的增加而呈現(xiàn)下降趨勢。
　　再次，將MWNTs進行胺基功能化制備NH2-MWNTs，應用于PVDF荷正電中空纖維

6、超濾膜的改性，研究膜對蛋白質(zhì)，染料的等電點分離效果。結(jié)果表明，加入聚氧乙烯醚非離子表面活性劑可以妥善提升NH2-MWNTs在膜中的分散程度。隨著NH2-MWNTs含量的增加，膜斷面指狀孔逐漸變短，并被海綿狀結(jié)構(gòu)取代，NH2-MWNTs含量為0.5wt.%的膜純水通量達到275.6L·M-2·H-1·bar-1。在不同pH條件下對BSA，LYM的截留率與穩(wěn)態(tài)通量也根據(jù)膜所帶電性不同呈現(xiàn)規(guī)律變化。NH2-MWNTs改性后的PVDF中空纖維膜

7、機械性能有所提升。
　　最后，研究了羥基磷灰石納米晶須（HAP）與聚乙烯吡咯烷酮（PVP）對PVDF膜的協(xié)同改性作用。結(jié)果表明，隨著HAP含量的增加，膜結(jié)構(gòu)由均勻的指狀孔過渡到海綿狀結(jié)構(gòu)，滲透通量也呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，HAP含量為1.0wt%時，膜的純水通量達到549.1L·M-2·H-1·bar-1，對BSA與腐殖酸的截留率達到89.4%與82.9%，符合超濾膜截留要求。膜的親水性也隨著 HAP的添加而有所提升。HAP含量為