高分子有机膜亲水改性及光催化改性的研究进展

随着高分子有机膜材料在水处理领域中应用的不断加深,膜法水处理技术以其优越的性能,成为中国水质高效处理的主导技术。但膜污染却成为阻碍膜法水处理技术发展的关键性问题,如何有效抑制膜污染的发生关系着膜法水处理技术未来发展的前景,目前已成为众多学者开展研究的核心方向。膜改性技术能够赋予现有膜材料新的功能特性,满足膜材料适用于处理各种复杂水质的同时能够抑制膜污染的发生,成为推动膜法水处理发展的前沿方向。膜亲水改性通过将疏水性的膜材料转变为亲水性,提高其抗污染性能。膜光催化改性通过将光催化剂与膜材料相结合,实现膜分离与污染物光催化降解相耦合,可有效抑制膜污染的发生。文章阐述了目前高分子有机膜材料主要的亲水改性技术,并介绍了膜改性新方向-光催化改性的常用方法。     

PVDF超滤膜进行聚乙二醇甲基丙烯酸甲酯 (PEGMA)紫外光照射接枝的膜面表征与抗污染分析

本文采用紫外光照射接枝的方法将聚乙二醇甲基丙烯酸甲酯(PEGMA)亲水单体接枝在疏水性聚偏氟乙烯(PVDF)超滤膜表面,改善PVDF膜的亲水性能.实验中以N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)为交联剂作为对比,发现添加MBAA可以减少PEG接枝层的溶胀性.本实验研究不同改性条件对膜性能的影响,利用表面接触角(CA)、红外光谱分析(ATR-IR)、扫描电镜(SEM)等手段表征膜表面特征,同时研究了改性膜对乳化油和牛血清蛋白溶液分离效率和抗污染能力.实验结果表明,经改性后膜亲水性明显提高,对污染物的截留效果和抗污染能力均有所提高.     

基于HBPs接枝的PVDF膜亲水改性及抗污染性能

在聚偏氟乙烯（PVDF）微滤膜表面接枝超支化聚合物聚乙烯亚胺（HPEI）,并通过环氧丙醇与氨基的开环反应在PVDF膜表面形成高密度的多羟基结构,实现PVDF膜的亲水改性.实验对膜的表面亲水性、抗粘附性能和抗污染性能进行表征,并采用原子力显微镜（AFM）测量膜与污染物探针之间的粘附力以进一步探究改性膜的抗污染机理.实验结果显示,改性后,PVDF膜的接触角从85°减小至42°,润湿时间从20s缩短至10s,表面亲水性显著提高;在静态吸附实验中,改性膜表面粘附的蛋白质和多糖数量明显减少;在动态污染实验中,改性膜的水通量恢复率（FRR）较高,不可逆通量下降率（IFR）较低,说明其较强的抗污染性能.AFM界面粘附力的测试结果表明污染物探针与改性膜面的粘附力较弱,进一步证实改性膜表面丰富的亲水基团以及超支化结构的位阻效应可以有效改善PVDF膜的抗污染性能.     

单一纳米颗粒及其协同改性聚偏氟乙烯膜的性能

为了提升PVDF膜的分离性能和抗污染能力,制备了纳米Al_2O_3和SiO_2颗粒各自、协同改性PVDF膜,考察PVDF膜渗透性能的变化。结果表明,Al_2O_3显著降低PVDF膜通量衰减系数和膜抗污染能力,且添加量为0.4%时改性效果最佳。SiO_2显著提高PVDF膜的亲水性和水通量,抗污染能力明显增强,且添加量为0.6%～0.8%时改性效果最好。纳米Al_2O_3和SiO_2质量比为1∶2时,协同改性PVDF膜展现出更优良的性能。PVDF/Al_2O_3/SiO_2膜的水通量、截留率和衰减系数均随着纳米Al_2O_3和SiO_2的添加总量先增加后减少,在0.8%处达到峰值,改性效果较单一纳米材料更佳。     

亲水聚合物改性微滤膜在膜生物反应器中的膜污染研究

采用经过聚合多巴胺和氨基聚乙二醇(mPEG-NH_2)表面改性的PVDF微滤膜,通过浸没在膜生物反应器(MBR)中验证改性微滤膜的抗污染性能.同时,采用多种分析手段对改性膜进行表征,包括膜表面微观形貌、润湿性、粗糙度和表面官能团等.实验同时考察了改性膜在MBR中运行的水通量衰减、污染膜的阻力分布,以及对膜面污染物的胞外多聚物组分的影响.结果发现,所采用的膜改性方法明显改善了膜表面的亲水性.短期过滤实验结果表明,多巴胺涂覆膜的稳定通量比原膜高47%,PEG改性膜则在水通量方面有进一步提高;在长期恒通量过滤阶段,多巴胺涂覆膜和PEG接枝膜的比膜通量分别比原膜高37%和88%.实验还发现,改性膜表面滤饼层中蛋白质和多糖含量均低于原膜.     

可见光响应GO/g-C3N4改性平板膜的制备条件及其表面性能

以氧化石墨烯(GO)与石墨相氮化碳(g-C_3N_4)为改性剂,采用界面聚合与超滤抽吸结合,对PVDF平板超滤膜(简称原膜)进行表面改性,得到可见光响应的纳米复合改性膜(简称:GO/g-C_3N_4改性膜),研究改性膜的制备条件及其表面性能.结果表明:(1)最佳制备条件为:g-C_3N_410 mg、g-C_3N_4/GO比值为80、苯胺(An)浓度0.5%、An浸泡时间4 h、过硫酸铵(APS)浓度0.8 g·L~(-1)、APS浸泡时间3 h;(2)GO/g-C_3N_4改性膜表面亲水性与抗污染性能显著提高,表面接触角下降55.1%,通量衰减率下降46.3%,经水力冲洗后膜通量恢复率增加51.5%;(3)改性膜的机械强度与拉伸强度增强,拉伸弹性模量增加;(4)GO/g-C_3N_4改性膜表面具有较强的可见光活性,最大吸收边带为495 nm,表面改性功能层的禁带宽度(Eg)值为2.5 e V.改性膜对罗丹明B(Rh B)的可见光催化降解去除率达到81.2%,而原膜对Rh B吸附去除率仅为42.2%.     

GO-TiO2改性PVDF复合膜去除微污染水体中氨氮

以氧化石墨烯（GO）、二氧化钛（TiO₂）和氧化石墨烯-二氧化钛（GO-TiO₂）为改性物质,借助真空过滤法对聚偏氟乙烯（PVDF）微滤膜进行改性制备复合膜.利用接触角测量仪、扫描电子显微镜、傅里叶红外变换光谱、X射线粉末衍射仪等手段探究了复合膜的结构和亲水性.同时选用腐殖酸（HA）作为水中微污染物的代表考察了复合膜的抗污染性能.选择常州滆湖支浜水样作为原水,研究了复合膜在黑暗及紫外光条件下对氨氮的去除效果.结果表明,GO、TiO₂和GO-TiO₂（GT）复合膜均具有优于PVDF膜的亲水性和抗污染性能,黑暗条件下,GO浓度为1mg/mL的GO复合膜氨氮去除率最高,达到26.4%;紫外光条件下,GO和TiO₂间存在协同作用,GO-TiO₂浓度为1mg/mL、GO/TiO₂=3：1的GT复合膜氨氮去除效率达到最佳（58.2%）.     

NGO/PDA-DAG改性膜制备及抗污染性能研究

以多巴胺（DA）、1,3-二氨基胍盐酸盐（DAG）、氨基化氧化石墨烯（NGO）为改性剂,将氧化沉积和表面接枝法联用于聚偏氟乙烯（PVDF）原膜表面改性,得到NGO/PDA-DAG改性膜,研究改性膜的制备条件及其抗污染性能.结果表明：①改性膜最佳制备条件为DA浓度1.5mg/mL,DA氧化沉积时间4h,DAG质量浓度1wt%,NGO浓度2mg/mL,NGO接枝时间1h;②改性膜的亲水性能改善明显.改性剂向膜面引入了-NH₂、C=N、-OH、C=O等亲水性官能团,使静态接触角由68.7°（原膜）下降到38.7°（改性膜）;③改性膜比原膜具有更高的机械强度.改性层改善了原膜表面应力传递盲区,使改性膜表面粗糙度由原膜的46.5nm下降到18.3nm.改性膜的拉伸强度和杨氏模量分别为22.83和376.25Mpa,比原膜提高了39.72%和13.57%;④改性膜的选择透过性和抗有机污染性能显著提高.与原膜相比,改性膜对牛血清白蛋白（BSA）的截留率提高18.64%、纯水通量恢复率提高34.08%、膜总污染率下降20.67%（可逆污染率提高13.41%、不可逆污染率下降34.08%）;⑤改性膜抗菌性能强,且抗菌效果稳定持久.改性膜连续4次抗菌测试（38℃下接触2h）的平均抗菌率分别为92.3%、88.5%、87.9%、85.6%,能有效防止生物膜污染发生,而原膜无任何抗菌特性.     

NGO/PDA-DAG改性膜制备及抗污染性能研究

以多巴胺（DA）、1,3-二氨基胍盐酸盐（DAG）、氨基化氧化石墨烯（NGO）为改性剂,将氧化沉积和表面接枝法联用于聚偏氟乙烯（PVDF）原膜表面改性,得到NGO/PDA-DAG改性膜,研究改性膜的制备条件及其抗污染性能.结果表明：①改性膜最佳制备条件为DA浓度1.5mg/mL,DA氧化沉积时间4h,DAG质量浓度1wt%,NGO浓度2mg/mL,NGO接枝时间1h;②改性膜的亲水性能改善明显.改性剂向膜面引入了-NH₂、C=N、-OH、C=O等亲水性官能团,使静态接触角由68.7°（原膜）下降到38.7°（改性膜）;③改性膜比原膜具有更高的机械强度.改性层改善了原膜表面应力传递盲区,使改性膜表面粗糙度由原膜的46.5nm下降到18.3nm.改性膜的拉伸强度和杨氏模量分别为22.83和376.25Mpa,比原膜提高了39.72%和13.57%;④改性膜的选择透过性和抗有机污染性能显著提高.与原膜相比,改性膜对牛血清白蛋白（BSA）的截留率提高18.64%、纯水通量恢复率提高34.08%、膜总污染率下降20.67%（可逆污染率提高13.41%、不可逆污染率下降34.08%）;⑤改性膜抗菌性能强,且抗菌效果稳定持久.改性膜连续4次抗菌测试（38℃下接触2h）的平均抗菌率分别为92.3%、88.5%、87.9%、85.6%,能有效防止生物膜污染发生,而原膜无任何抗菌特性.     

有机膜的无机改性及其性能研究

以无机纳米氧化铝粒子作为无机添加剂与聚偏氟乙烯（PVDF）共混,采用相转换法合成了有机-无机共混超滤膜.通过测定膜与纯水的接触角,表征膜的亲水性;用激光共聚焦显微镜(CLSM)、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）观察了膜的表面结构、表面孔分布和断面孔的结构及纳米颗粒在膜中的分散情况;利用杯式超滤装置对改性膜的透过性能、截留性能以及抗污染性能进行了测试;用强度测定仪测定了膜强度.结果表明,纳米Al₂O₃ 的加入改善了PVDF膜的表面亲水性、通量、强度和抗污染性.     

新型纳滤膜在水处理与水回用中的研究进展

近年来,纳滤膜（NF）以其较高水渗透性能、良好水/盐选择性和相较于反渗透膜（RO）低工作压力等优势被广泛应用于水处理和水回用中。然而传统的商品NF的分离性能具有局限性,例如对人体有益的矿物质去除率过高、对污染物去除率偏低,而且渗透性能-选择性能的制衡等问题严重制约了NF的发展及潜在的应用。详细介绍了NF膜在水处理和水回用中的应用及NF结构优化和改性的最新进展;回顾了通过对NF膜除盐层的孔隙率、亲水性、表面官能团及表面带电性等改性方式来提高NF的渗透性、选择性、抗污染、抗菌和耐氯能力等取得的研究成果;最后展望了新型NF膜在水处理和水回用领域的发展。     

Ag_3PO_4/TiO_2-PVDF膜制备及抗污染性研究

膜污染引起膜通量下降,导致膜使用寿命的降低以及运行成本的升高,制约着膜技术的发展。为缓解膜污染,合成具有紫外-可见光响应的Ag_3PO_4/TiO_2纳米材料,并应用于聚偏氟乙烯(PVDF)膜改性,制备了新型膜材料。通过原子力显微镜、接触角测定、光催化降解能力测试、循环过滤实验等研究其性能。实验表明,与PVDF膜相比,Ag_3PO_4/TiO_2-PVDF膜表面更平滑,平均粗糙度由64.9 nm下降至30.8 nm;亲水性得到改善,接触角初始值为58.8°,下降速率为1.12°/min;具有自然光下催化氧化降解罗丹明B的自清洁能力,将其含量由86.1%降至65.5%;在循环过滤中难被污染、易于清洗,保持较大的通量恢复率。     

海藻酸及腐殖酸共存对PVDF超滤膜的污染行为

为了揭示有机物对PVDF超滤膜的污染行为,选用典型亲/疏水性有机污染物海藻酸(SA)及腐殖酸(HA),采用原子力显微镜结合自制的PVDF膜材料探针和污染物探针定量测定了PVDF-污染物及污染物-污染物间的作用力,并进行PVDF膜污染试验和污染物去除效果分析.结果表明:亲水性SA-PVDF及SA-SA之间的作用力皆大于疏水性HA-PVDF及HA-HA间的作用力,且SA污染膜的通量衰减速率与衰减幅度明显大于HA污染膜,说明了亲水性有机物是引起PVDF超滤膜污染的优势污染物.HA/SA混合污染物试验表明,膜污染行为与混合污染物中优势污染物的含量密切相关;与单种污染物的膜污染行为相比,混合污染物间不存在明显的协同作用促进膜污染.此外,污染物的去除率与相应微观作用力大小及膜污染速率成正相关关系.     

城市污水二级出水超滤膜污染与膜特性的研究

以城市污水二级出水为过滤介质,考察了PVA、PVP、PMMA等与PVDF的二元及三元共混超滤膜的过滤污染行为.结果表明,共混优化了PVDF超滤膜的结构参数,添加剂PVP、PVA可有效改善膜的亲水化程度,提高膜渗透通量.超滤膜的亲水性和结构特性对膜抗污染性能影响较大;堵孔阻力是二级出水过滤膜污染不可逆的主要原因.亲水性较强的超滤膜,二级出水过滤初期易因浓差极化而导致滤饼层污染,造成一定的通量衰减,但易清洗恢复,不可逆污染指数(rir)为0,抗污染性能好.致密的超滤膜表面有利于防止二级出水中的中低分子量污染物进入膜内部,而断面通透大孔和疏松海绵层结构的超滤膜,能减少二级出水中的污染物在膜中沉积形成堵孔阻力.膜表面多孔,内部大孔发育不充分,易形成堵孔污染,通量衰减大且不易清洗恢复,膜污染不可逆.     

纳米二氧化硅改性聚酰胺复合膜及其抗污染性能

采用经3-氨基丙基三甲氧基硅烷（APTMS）修饰的纳米二氧化硅（SiNPs）,对正渗透聚酰胺复合膜（TFC）进行抗污染改性.在静电吸附作用下,APTMS-SiNPs可通过表面涂覆的方式接枝在带负电的TFC表面,以提高膜的亲水性和抗污染效能.改性后,大量纳米材料成功接枝在膜表面,膜表面的接触角降低了54%,而膜电位和表面粗糙度无明显变化.采用海藻酸钠作为代表污染物,对原膜和改性膜的动态污染行为进行探究,通过监测污染阶段的通量变化和膜表面滤饼层含量,发现改性膜在膜污染后期表现出优良的抗污染性能,最终通量衰减降低了28%,膜表面滤饼层含量减少了35%.改性膜的抗污染性能主要归因于APTMS-SiNPs带来的膜表面亲水性的大幅提高.     

纳米SiO_2共混对PVDF超滤膜的结构及抗污染性能的影响

为了揭示纳米SiO_2共混对PVDF超滤膜性能及结构的影响。利用非溶剂相转化法(NIPS)成膜机理,制得了不同纳米SiO_2含量的PVDF/SiO_2共混改性超滤膜。综合研究纯水通量、接触角、强度及截留率等性能,以牛血清蛋白水溶液为标准污染物,通过评价PVDF/SiO_2共混改性超滤膜的抗污染能力,使用扫描电子显微镜及原子力显微仪分别对膜结构及微界面形貌进行观测。结果表明,纳米SiO_2共混改性可提高膜的亲水性,促进指状孔、致密皮层及致密海绵层结构的形成;从而提高膜的通量、强度及抗污染性能,纳米SiO_2最优添加量为5%。     

GO-TiO2改性中空纤维膜的制备条件及抗污染性能研究

以氧化石墨烯(GO)与纳米二氧化钛(TiO_2)为改性剂,采用界面聚合法与抽滤吸附结合,对聚偏氟乙烯中空纤维超滤膜(简称原膜)进行表面改性,得到新型纳米改性膜(简称GO-TiO_2改性膜).研究改性膜的制备工艺条件及其对腐殖酸(HA)的吸附截留性能与抗污染特性.结果表明:(1)最佳制备工艺条件为:钛酸丁酯2 m L、GO 1 mg、间苯二胺1%(质量分数)、间苯二胺浸泡时间8 min、均苯三甲酰氯0.2%(质量分数)、均苯三甲酰氯浸泡时间10 min;(2)亲水性提高显著,亲水性表面为GO-聚酰胺-TiO_2复合结构,改性膜接触角由80.6°±1.8°下降到38.6°±1.2°;(3)抗污染性能提高明显.改性膜通量总衰减率由改性前的51.2%下降到35.6%,过滤周期约为原膜的2.5倍;反冲洗后膜通量恢复率由69%提高到96%.     

聚偏氟乙烯共混改性膜对Cu2+吸附性能的研究

应用热诱导聚合和相转移技术,制备了具有离子交换性能的聚偏氟乙烯(PVDF)共混改性膜,采用XPS、XRD、SEM和FTIR表征了PVDF改性膜的结构和组成,分析了PVDF共混改性膜对水溶液中Cu2 的吸附性能,研究了PVDF共混改性膜对Cu2 的吸附热力学和吸附动力学.结果表明,动力学吸附过程符合准二级动力学方程,等温吸附过程符合Langmuir模型.吸附过程的平均吸附能为8～16 kJ/mol,表明该吸附过程为离子交换反应.热力学参数△G0＜0、△H0＞0、△S0＞0,证实了吸附过程为自发的吸热过程.PVDF共混改性膜经吸附/脱附4次循环后,对模拟废水中Cu2 和城市污水中Cu2 的吸附量分别大于0.025 mg/cm2和0.015 mg/cm2,脱附率超过95%.PVDF共混改性膜具有优良的吸附/脱附性能、良好的稳定性和潜在的应用前景.     

臭氧-CNT膜改性联用工艺阈通量及膜污染分析

采用碳纳米管(carbon nanotube,CNT)对聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)中空纤维超滤膜进行改性,结合臭氧预氧化技术,考察了臭氧-CNT膜改性联用工艺的阈通量及膜表面污染情况。结果表明,原膜阈通量为45 L?(m2?h)-1,联用工艺下阈通量为81 L?(m2?h)-1,联用工艺相对原膜阈通量提高了约80%;且联用工艺的污染速率最低,约为0.00137k Pa?min-1?L-1?m2?h。相同臭氧投量与CNT负载量下,对比联用工艺阈通量与临界通量运行情况,得出阈通量下运行过水量高于临界通量运行,表明阈通量下运行能够缓解膜污染,延长膜组件的运行时间。膜污染碳平衡实验结果表明,采用CNT对膜改性后,膜组件的纳污能力与可恢复性得到明显提高,臭氧氧化能够进一步提高CNT改性膜组件的可恢复性,大幅提高其过水性能和使用时间。     

亲水荷电超滤膜的制备及对腐殖酸的分离性能

为改善聚醚砜(PES)超滤膜的抗污染性能和提高对腐殖酸(HA)的截留率,以介孔二氧化硅(MS)为添加剂,采用相转化法制备了亲水性PES/MS复合超滤膜,并对膜表面进行荷电改性.研究了MS对膜的断面结构、表面化学性质和过滤性能的影响,考察了荷电改性PES/MS超滤膜对水中HA的分离性能以及溶液pH值、离子强度和钙离子浓度等因素对荷电膜超滤过程的影响.SEM表征结果显示,MS颗粒在PES/MS复合膜的表面分散均匀,膜孔的连通性改善.亲水荷电改性后,膜表面接触角由68°降至57°,zeta电位由-6.31mV降至-11.45mV,膜对HA的去除率由72%提高到95%,通量衰减率由29.8%减小到4.9%.结果表明,对PES超滤膜进行亲水荷电改性可有效提高对HA的截留率,同时减轻膜污染;另外,溶液的pH值、离子强度和钙离子浓度对荷电超滤膜的过滤性能有较大影响,调节合适的溶液环境可在提高截留率的同时,减轻膜污染.