聚醚砜超濾膜荷電化及其表面動(dòng)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(xué)方法改性聚醚砜超濾膜,期望實(shí)現(xiàn)對膜結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)化及膜表面相關(guān)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(gòu)成傳統(tǒng)浸沒相轉(zhuǎn)化成膜體系的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)與性能的影響.另外,當(dāng)同時(shí)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(kuò)散與交換會(huì)有如下化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)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(jī)理.實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)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(xué)反應(yīng)有助于相轉(zhuǎn)化過程中的傳質(zhì)過程,并且化學(xué)反應(yīng)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(kuò)大以及膜孔隙率的提高.因此,采用該化學(xué)反應(yīng)修飾的浸沒相轉(zhuǎn)化法制膜有望同時(shí)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(zhuǎn)化法制備表面荷電化超濾膜.實(shí)驗(yàn)中分別就超濾膜的通量、孔徑、表面與截而形態(tài)、表面化學(xué)組成、表而荷電狀況、及其耐污染性能進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)的變化情況進(jìn)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(xué)組成的分析,平流式流動(dòng)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(zhuǎn)化的過程中荷電基團(tuán)將更傾向于在膜表面處聚集.也就是說,共混法可有效地實(shí)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(shí)驗(yàn)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(zhì)實(shí)現(xiàn)分離,又可通過與荷電溶質(zhì)之間的靜電作用實(shí)現(xiàn)截留.不同共混比膜樣品表面的BSA吸附實(shí)驗(yàn)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(shí)際需要,通過調(diào)節(jié)分離體系的pH來分別實(shí)現(xiàn)該膜對蛋白質(zhì)的耐污染性能或?qū)Φ鞍踪|(zhì)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(zhuǎn)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(shí)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(shí)了膜表面接枝聚合反應(yīng)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(jìn)一步確定了接枝聚合反應(yīng)發(fā)生的場所;由壓差驅(qū)動(dòng)滲透實(shí)驗(yàn)和濃差驅(qū)動(dòng)擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)表明,改性膜呈現(xiàn)出快速、顯著、可逆的pH響應(yīng)性.另外,實(shí)驗(yàn)中還通過大量條件實(shí)驗(yàn)考察了反應(yīng)條件對膜表面接枝聚合的影響,采用平流式流動(dòng)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(shí)驗(yàn)反映了膜改性前

8、后膜耐(蛋白質(zhì))污染性能的變化情況. 另外,本文中著重對膜表面的動(dòng)電現(xiàn)象進(jìn)行考察和分析,進(jìn)而獲得有關(guān)膜的荷電狀況、甚至是膜孔徑變化的相關(guān)信息.首先,在利用不可逆過程熱力學(xué)和空間電荷模型理解透過式流動(dòng)電位的產(chǎn)生與膜孔徑問對應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上,嘗試通過測定不同壓力下的膜孔流動(dòng)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(dòng)電位測試系統(tǒng)研發(fā)工作的基礎(chǔ)上成功地構(gòu)建了平流式流動(dòng)電位測試系統(tǒng),并嘗試將恒電

9、流法測膜體總電導(dǎo)引入膜表面Zeta電位的確定過程中.測試系統(tǒng)使用結(jié)果表明,所使用的Ag/AgCl電極制備方法是簡單而實(shí)用的;將恒電流源引入流動(dòng)電位測試系統(tǒng),采用四電極式恒電流法測膜體系總電導(dǎo)也是簡單而有效的.對多種荷電化膜表面Zeta電位的確定實(shí)驗(yàn)表明,膜體系總電導(dǎo)對膜表面流動(dòng)電位、Zeta電位的貢獻(xiàn)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