膜分离技术具有高效分离、低能耗、无相变、无二次污染、设备稳定、操作简单的特点,已被广泛应用于能源、环保(水处理)、化工、冶金、食品、医药卫生和生物技术等领域。作为膜分离技术的关键材料,分离膜材料是“十三五”七大战略新兴产业的上游关键材料。聚丙烯腈(PAN)多孔膜材料具有结构多样、稳定性高、易于功能化等优点,是一种较为理想且应用广泛的分离膜材料,在离子吸附、水处理等领域有着广泛应用,并发挥重要作用。作为一种新型的多孔膜结构,高孔隙率、较低曲率因子且孔径可控的聚丙烯腈纳米纤维膜在水处理领域表现出良好的应用前景。但是,聚丙烯腈纳米纤维膜目前只能通过纺丝方法进行制备,常规的相分离制备方法无法制备。纺丝方法制备的聚丙烯腈纳米纤维膜具有孔隙率高、纤维网络粗细分布均匀等优势,然而,纺丝技术制备的聚丙烯腈纳米纤维膜力学性能较差,并且,制备效率无法满足规模化工业应用需求,相关研究工作仍处于实验室阶段。因此,开发工艺简单、可望产业化的聚丙烯腈纳米纤维膜制备方法,并探究其功能化应用性能,具有重要的研究意义和应用价值,目前国内外相应研究较少。本论文采用溶液相分离成膜和双向拉伸技术制备聚丙烯腈纳米纤维膜,研究其微孔形态、纳米纤维结构调控机理;对聚丙烯腈纳米纤维膜进行偕胺肟化和羧基化改性,研究其在海水提铀、水体除氟领域的应用潜力,论文主要内容和结果如下:(1)非溶剂热致相分离方法制备聚丙烯腈预制膜是聚丙烯腈纳米纤维膜制备技术的第一部分流程,借助扫描电子显微镜(SEM)测试和图片分析的表征手段,研究了溶液相分离成膜过程中的非溶剂热致相分离机理,构建了聚丙烯腈预制膜的加工-结构/形貌之间的关系。结果表明提高相分离温度、延长相分离时间、增加降温速率和降低冷却温度可有效提高聚丙烯腈预制膜的致密度,有效减小孔径、提高孔径分布均匀性;确定了相分离温度(Tps)和冷却温度(Tcooling)是决定聚丙烯腈预制膜结构和形貌的关键外场参数。为了定量的描述和对比聚丙烯腈预制膜的形貌和结构差异,本论文提出了致密度指数的概念,可直观的体现非溶剂热致相分离方法工艺参数之间复杂的耦合作用。(2)首次通过对不同致密度的聚丙烯腈预制膜进行同步双向拉伸制备得到聚丙烯腈纳米纤维膜。采用SEM测试、图像分析和透气性等形貌和性能表征手段,研究了拉伸加工参数对聚丙烯腈纳米纤维膜结构和性能的影响,确定了聚丙烯腈纳米纤维膜的同步双向拉伸加工窗口。结果表明具有不同结构的聚丙烯腈预制膜通过双向拉伸制备的聚丙烯腈纳米纤维膜具有相似的结构和形貌,微孔尺寸约为几十纳米到几微米,纤维直径约为几十到几百纳米;在120～130℃的双向拉伸温度区间制备的聚丙烯腈纳米纤维膜均具有优秀的透气性(<20 s/100 cc)和孔隙率(>80%),最佳制备温度为130℃;在130℃拉伸时,随着拉伸比的增大,纤维直径减小,纤维直径分布均匀性增加,并且孔隙率提高,透气性增强。双向拉伸制备聚丙烯腈纳米纤维膜的成孔机制为拉伸诱导扩孔和纤维细化、劈裂的共同作用。相比其它技术路线,双向拉伸方法更易实现薄膜材料大规模工业化生产,因此,本论文研究工作为聚丙烯腈纳米纤维膜规模化制备提供基础数据和应用借鉴。(3)偕胺肟基(AO)对海水中铀酰离子有特别强的亲合能力,通过偕胺肟化反应制备了偕胺肟化聚丙烯腈纳米纤维膜,其具有高比表面积和良好的亲水性。在实验室条件下的海水提铀性能研究表明偕胺肟化聚丙烯腈纳米纤维膜具有高的铀吸附容量、优异的选择性、快速高效的脱附响应和优异的可重复使用性能。本论文实验条件下最大吸附容量可达163.3 mg/g,重复使用8次后吸附容量略有下降。单分子层化学吸附机制主导偕胺肟化聚丙烯腈纳米纤维膜的铀吸附行为,偕胺肟基团与铀酰离子之间存在表面络合作用。本论文成果表明偕胺肟化聚丙烯腈纳米纤维膜表现出良好的铀吸附性能,在海水提铀方面具有巨大的应用潜力。(4)饮用水中氟离子去除是关系人类身体健康和生命安全的重大社会问题,吸附方法被证明是最有应用潜力的除氟手段。充分利用聚丙烯腈纳米纤维膜高比表面积、纤维多孔的优点,通过羧基化反应制备了具有高比表面积和优异亲水性的羧基化聚丙烯腈纳米纤维膜。羧基化聚丙烯腈纳米纤维膜表现出优秀的氟吸附能力,突出的选择性,良好的可重复使用性能。吸附容量可达40 mg/g,8次重复使用后能够保持40%的吸附能力。化学吸附机制主导了羧基化聚丙烯腈纳米纤维膜的氟吸附行为。红外和XPS中羧基和胺基的基团分析结果表明,氢键结合和离子交换反应为羧基化聚丙烯腈纳米纤维膜的氟吸附机理。作为新型氟去除多孔膜材料,羧基化聚丙烯腈纳米纤维膜具有广阔的应用前景。