【摘 要】
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近年来,工农业和日常生活排放的含油废水对生态环境和人类健康造成严重危害,成为全球关注的水资源污染问题之一。相比于传统方法,膜分离技术具有低能耗、高效率和易操作等独特优势,在含油废水处理领域得到了广泛应用。然而,如今含油废水多具有强酸碱腐蚀和高温等特性,这些严苛条件对膜材料提出了更高的要求,亦是膜分离技术在含油废水处理方面面临的瓶颈。作为新型特种高分子材料的聚芳醚腈(PEN)因其具有耐高温和抗强化学
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近年来,工农业和日常生活排放的含油废水对生态环境和人类健康造成严重危害,成为全球关注的水资源污染问题之一。相比于传统方法,膜分离技术具有低能耗、高效率和易操作等独特优势,在含油废水处理领域得到了广泛应用。然而,如今含油废水多具有强酸碱腐蚀和高温等特性,这些严苛条件对膜材料提出了更高的要求,亦是膜分离技术在含油废水处理方面面临的瓶颈。作为新型特种高分子材料的聚芳醚腈(PEN)因其具有耐高温和抗强化学腐蚀等特性已经开始应用于膜分离领域。高分子膜材料制备方法主要包括相转化法和静电纺丝法,其中通过静电纺丝技术制备的高分子纳米纤维膜因具有孔径可调、渗透性高、比表面积大、质量轻和易功能化等特点受到了科学家们的青睐。鉴于此,本研究旨在通过静电纺丝技术构建耐高温和耐强酸碱的超润湿PEN纳米纤维膜。首先,采用仿生法与真空辅助过滤技术结合构筑具有超亲水-水下超疏油表面的聚芳醚腈纳米纤维复合膜材料。其次,采用商业胶胶合技术和超疏水纳米颗粒构筑稳定的超疏水-超亲油聚芳醚腈纳米纤维复合膜材料。本论文所构筑的两类超润湿聚芳醚腈纳米纤维复合膜旨在为实现严苛环境下含油废水高效分离膜材料的开发和应用提供理论基础,具体研究内容如下:(1)通过静电纺丝技术制备聚芳醚腈纤维膜作为支撑层,并采用热压交联技术提高纤维间的粘结力,从而提高纤维膜的机械强度。然后,基于真空辅助过滤技术和贻贝仿生手段,以埃洛石纳米管(HNTs)插层氧化石墨烯纳米片(GO)层作为功能层和聚多巴胺对表面再修饰构筑超亲水-水下超疏油PEN/HNTs@GO-PDA纳米纤维复合膜。采用FT-IR、Raman、XPS、XRD、SEM和AFM对PEN/HNTs@GO-PDA的结构和形貌进行表征和分析;通过接触角、水下油接触角以及TOC考察PEN/HNTs@GO-PDA的润湿性能以及油水分离效率。同时研究了温度和pH值对复合膜稳定性能的影响。研究结果表明:由于PEN/HNTs@GO-PDA纳米纤维复合膜独特的层次结构以及聚多巴胺表面再修饰提供的粗糙结构和超亲水-水下超疏油性能,其对各种水包油乳液均具有大于99.0%的优异分离效率和显著的防污性能,且分离通量高达1130.56 L/m2·h。同时,基于层次结构的HNTs和GO之间的氢键以及多巴胺聚合的交联作用构筑了高稳定性能的复合膜,对高温(90℃)、强酸碱(pH=1和pH=14)环境下的水包油乳液具有高分离效率和出色的可重复使用性。(2)通过有机硅烷全氟辛基三乙氧基硅烷(PTES)对TiO2纳米颗粒进行表面修饰,Si-O-Si-共价键的强烈作用以及PTES提供的低表面能赋予P-SiO2纳米颗稳定的超疏水性能。然后基于简单的胶合技术,利用商业EVO-STIK强力胶牢固稳定的粘附性将超疏水P-TiO2纳米颗粒固定在PEN纳米纤维表面,形成具有超疏水-超亲油的PEN/P-TiO2纳米纤维复合膜。采用FT-IR、XPS、XRD和SEM对PEN/P-TiO2纳米纤维复合膜的结构和形貌进行表征与分析;采用接触角测试仪表征PEN/P-TiO2纳米纤维复合膜接触角大小。通过微量水分分析仪测试油包水乳液分离前后水分含量,计算出PEN/P-TiO2纳米纤维复合膜的分离效率。同时研究了低温(-5℃)、高温(100℃)、强酸碱环境(pH=1和pH=13)和超声处理对膜稳定性的影响。研究结果表明:仅靠重力驱动下PEN/P-TiO2纳米纤维复合膜对油包水乳液在具有高分离效率。PEN/P-TiO2纳米纤维复合膜表面的超疏水性能与微纳米结构协同作用产生了优异油水分离性能,其对无表面活性剂油包水乳液和有表面活性剂油包水乳液分离通量分别达到3531.26±231.33 L/m2·h和6856.56±270.69 L/m2·h,且分离效率均大于99.0%。此外,由于EVO-STIK强力胶的简单胶粘技术以及PTES与TiO2之间强烈的硅氧键结合,制备的PEN/P-TiO2纳米纤维复合膜经低/高温、强酸碱和超声处理后均表现出优异的稳定超疏水性能和高分离效率。
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