亲水界面和微反应位的构建对聚氯乙烯超滤膜性能的影响研究

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聚氯乙烯(PVC)耐受性好、机械性能优良且经济易得,是一种良好的成膜材料。但是PVC膜表面能较低,水不润湿铺展,亲水性较差,且在PVC合成过程中含有大量羟基的组分被吸附到PVC主链上,从而使PVC膜表面呈荷负电。在疏水和静电的作用下,污染物易吸附或沉积在PVC膜表面或孔道内部,导致PVC膜被污染、渗透通量下降,制约了其更广泛的应用。因此,在PVC膜中构建亲水界面和微反应位(MRLs)以改善PVC膜的亲水性、渗透性和耐污染性等综合性能以及对其机理和应用进行研究具有重要的理论意义和潜在的应用前景。首先,利用木质素含有丰富亲水基团的结构特点及与PVC氯原子间的氢键作用,以木质素(lignin)为改性剂通过加热和外场超声的作用加入到PVC中形成均匀的溶胶后制备成在膜内和膜表面具有亲水界面的lignin/PVC超滤膜,从而减轻了污染物和膜的相互作用以提高PVC膜的耐污染能力。lignin/PVC超滤膜的含油废水渗透通量为PVC膜的1.09-2.41倍,油截留率保持在81.12%以上。采用曼尼希反应合成了荷正电,具有刚性结构且强亲水性的木质素胺(AL)。以AL为改性剂加入到PVC中制备成在膜内和膜表面具有亲水性和荷正电的AL/PVC超滤膜,从而通过亲水界面和静电排斥作用减弱污染物和膜的相互作用以改善PVC膜的耐污染性等综合性能。AL/PVC超滤膜的表面Zeta电位从-33.58mV增加到-21.79 mV,含油废水的渗透通量为PVC膜的1.63-2.87倍,油的截留率可达94.97%。最后,以AL为致孔剂,钇和镧为掺杂元素,经过包覆和酸化改性等手段制备扩孔的YxLayZr1-x-yO2包覆TiO2微球固体超强酸(SYLZr-Ti)粒子。利用机械力消除粒子间的硬团聚从而将SYLZr-Ti粒子均匀分散到PVC中形成具有MRLs的SYLZr-Ti/PVC超滤膜,通过降解或抑制有机和无机污染物在膜表面和孔道内的形成以更好地提高PVC膜的耐污染能力。AL的扩孔作用可提高有机污染物的扩散效率,强化质量传递过程,粒子的甲基橙降解率高达40.64%;钇和镧的掺杂能稳定ZrO2的四方晶相并增强固体超强酸的酸性,粒子的Hammet酸度可达-15.73。另外,具有MRLs的SYLZr-Ti/PVC超滤膜对甲基橙和Fe2O3的降解率可达14.48%和16.23%,含油废水的渗透通量可达PVC膜的1.25-3.58倍,油的截留率可达97.97%,具有较好的耐污染性能。通过研究表明,相比lignin/PVC超滤膜,AL/PVC超滤膜具有更好的亲水性和渗透通量,而SYLZr-Ti/PVC超滤膜可更有效地净化含油废水且耐污染能力更佳。因此,AL和SYLZr-Ti粒子在改善PVC膜的亲水性、渗透性和耐污染性等综合性能方面具有良好的应用前景。
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