基于超亲水性PVDF-g-PAA超滤膜的抗污染界面构建与评价

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抗污染膜界面的构建是解决膜污染问题的核心。本文以“一锅法”工艺制备了聚偏氟乙烯接枝聚丙烯酸钠(PVDF-g-PAAS)超亲水性超滤膜,并通过Mg2+和Fe3+的原位矿化,分别得到超亲水性纳米Mg(OH)2复合PVDF-g-PAA超滤膜和可见光-芬顿自清洁PVDF-g-PAA@FeOOH超滤膜,并对三种超滤膜的制备参数、理化性质、超滤性能和抗污染性能等进行了研究。主要内容如下:(1)以碱化聚偏氟乙烯(HPVDF)为原料,丙烯酸(AA)为单体,将自由基引发接枝共聚的PVDF-g-PAA均相溶液在碱性凝胶浴中直接相转化成膜,通过“一锅法”制备了超亲水性PVDF-g-PAAS超滤膜(FAS)。研究了料比、料液比、凝胶浴温度和碱浓度等对FAS的理化性质、微观结构和超滤性能的影响规律。结果表明:FAS的初始WCA低于60°,并在10 s内完全润湿,Zeta电位为负值并随pH升高而下降;膜结构参数受料比和料液比的影响较大,料比由3/12增大到9/12时,FAS表面出现起伏的皮层,微孔增多,断面孔由指状向海绵状过渡,纯水通量明显下降,牛血清白蛋白(BSA)截留率均高于90%。FAS亚层结构疏松度随凝胶浴温度升高而增大,随碱浓度增加而降低。BSA超滤过程中FAS的比通量衰减低于65%,通量恢复率高于80%,显示了良好的抗污染性能。料比为6/12时FAS12-6的AA接枝率最高,在60℃的0.05 mol·L–1碱凝胶浴中得到的FAS12-6的纯水通量达565.83 L·m–2·h–1,BSA污染后通量恢复率达94.62%,4次循环后下降低于8%。(2)利用FAS中羧基对Mg2+的配位作用,分别通过膜表面原位矿化法和膜基质原位矿化法制备了两种纳米Mg(OH)2复合PVDF-g-PAA超亲水性超滤膜FAMS和FAMM。研究了基膜组成和前驱体MgCl2·6H2O添加量对复合膜的理化性质、微观结构和超滤性能的影响,考察了两种膜的抗BSA污染性能。结果表明:FAS表面矿化后的FAMS孔径孔隙率明显下降,纯水通量降低,但亲水性大幅提升。FAS的高接枝率和表面平整度有利于提高Mg(OH)2纳米粒子的矿化量和均匀性;PVDF-g-PAA铸膜液体系中MgCl2·6H2O添加量增加,有利于提高FAMM的亲水性和纯水通量,但MgCl2·6H2O含量高于4%后会形成凝胶。FAMS和FAMM清洗通量恢复率高达96.80%和97.21%,4次循环后BSA稳态通量衰减均低于7%,表现出较FAS更加优异和稳定的抗污染性能。(3)基于Fe3+在酸性条件下水解生成β-FeOOH纳米粒子的原理,利用FAS中羧基对Fe3+的配位固定作用,以FAS为基膜,采用表面原位矿化法制备了具有可见光-芬顿自清洁功能的PVDF-g-PAA@FeOOH复合超滤膜(FASF)。以亚甲基蓝(MB)和BSA为模拟物,分别通过静态可见光-芬顿降解和超滤实验考察了FASF的可见光-芬顿反应活性和可见光-芬顿自清洁性能。结果表明:随着FAS中AA接枝率增大和矿化时间增长,FASF表面β-FeOOH含量增加,亲水性显著提升,但Zeta电位绝对值和纯水通量有所下降。FASF具有高的可见光-芬顿反应活性,矿化24 h的FASF6对20 mg·L11 MB在40 min内降解率超过90%。FASF被BSA污染后在30 min的可见光-芬顿清洗通量恢复率接近100%,4个BSA过滤周期后稳态通量仍能保持初始的97%,表现出优异的抗污染和可见光-芬顿自清洁性能。
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