高支化聚醚改性PVDF膜的制备及其油水分离性能研究

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油水乳液是一种常见的污染物,对生态环境和人类健康都造成很大的危害。化学破乳法是传统的油水乳液的处理方法中较为高效的方法,但破乳剂残留于水中,存在易产生二次污染、处理过程能耗高的问题。膜分离技术虽是一种环保、低能耗的污水处理技术,但处理含油废水,尤其是动力学稳定的油水乳液存在分离效率低,膜污染严重等问题。为克服破乳剂和膜分离技术各自在应用中存在的问题,本课题将具有破乳效应的超支化酚胺树脂嵌段聚醚破乳剂接枝到聚偏氟乙烯(PVDF)膜表面,构筑破乳剂功能PVDF功能膜,将化学破乳与膜分离耦合,以期实现O/W乳液的高效破乳与油水分离。本研究首先以PVDF和苯乙烯马来酸酐(SMA)为共混膜材料,以N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂,氯化锂(Li Cl)为致孔剂,通过浸没沉淀相转化法制备SMA/PVDF共混膜,并考察了PVDF浓度、凝固浴温度以及SMA含量对膜结构和性能的影响规律。结果表明,当PVDF含量为16wt%、SMA含量为7wt%,采用40°C水作为凝固浴时,所得共混膜断面呈典型的非对称结构,孔隙率为70.3%,纯水接触角为68.5°,纯水通量548.34 L·m-2·h-1,对BSA的截留率接近100%。其次,对SMA/PVDF共混膜进行表面接枝。利用SMA中马来酸酐在膜表面与AE2311分子中端羟基的原位醇解反应,在SMA/PVDF共混膜表面接枝超支化酚胺树脂嵌段聚醚破乳剂(AE2311)。使用X射线光电子能谱仪(XPS)、傅里叶红外光谱仪(ATR-FTIR)、冷场发射扫描电子显微镜(FESEM)和原子力显微镜(AFM)对破乳剂改性的PVDF膜进行表征,证明成功制备了AE2311@SMA/PVDF膜。考察了接枝时间对改性膜的接枝率、孔径大小、亲水性、渗透性及抗污染性的影响。结果表明,接枝时间为9 h的AE2311@SMA/PVDF膜具有超亲水性(纯水接触角为0°)和水下超亲油性能(水下油接触角大于150°)。其接枝率为424.4 mg·g-1,孔隙率为62.33%,平均孔径为41.98 nm,纯水通量为362.14 L·m-2·h-1。经三次循环通量实验后,改性膜的通量恢复率达到92.36%,具有优异的抗污染性能。最后,采用AE2311@SMA/PVDF膜考察其对不同O/W乳液的分离效率,评价改性膜的抗油污性、长期运行稳定性以及膜破乳效率。实验发现改性膜对煤油-水、二氯乙烷-水、石油醚-水和甲苯-水乳液的油水分离率均大于99.0%,具有优异的油水分离性能。经三次过滤实验后,FRR达到96.56%,具有良好的抗油污性能。此外,在10次O/W乳液分离-纯水清洗实验中,改性膜的纯水通量稳定在335 L·m-2·h-1左右,且油水分离率保持在99.0%以上,纯水接触角和水下油接触角分别保持在18.5°和156°左右,表面改性膜可重复使用,并具有长期运行稳定性。膜破乳实验证明改性膜表面能破坏O/W乳液,不经膜过滤,油水分离率可达57.4%。油水分离膜的内在机理耦合了AE2311的化学破乳效应、膜表面的超亲水性和水下超疏油性能以及超滤膜的筛分效应。因此,本研究所制备的破乳剂功能化膜可以有效分离O/W乳液,经历循环分离,效率无明显降低,证明了AE2311@SMA/PVDF改性膜在油水分离方面具有良好的应用前景,对于油水乳液的大规模分离具有潜在的应用价值。
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