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对膜进行改性,使其能满足各种分离要求,近年来已经是膜分离研究的重要内容之一。与传统的改性方法相比,原子转移自由基聚合(ATRP)具有活性/“可控”、反应条件温和、适用单体范围广等优点。本文采用原子转移自由基聚合(ATRP)法和表面引发原子转移自由基聚合(SI-ATRP)法,通过在膜内引进不同的功能单体,对常用的聚砜和聚醚砜膜进行改性研究,使膜具有不同的分离功能。具体研究内容如下:
为了使疏水聚砜膜具有更强的疏水性能,从而适用于有机溶剂等分离场合,实验采用ATRP化学接枝法,首次将疏水性含氟单体2,2,2-三氟乙基甲基丙烯酸酯(TFEMA)接枝到氯甲基化聚砜(CMPSF)材料上,FT-IR红外和19F-NMR核磁共振检测分析结果表明,反应得到了结构确定的接枝聚合物PSF-g-PTFEMA,并且产物接枝量随反应时间的增加而线性增加。将PSF-g-PTFEMA与PSF共混,采用相转化法制备平板共混膜,研究发现,共混膜表而的静态水接触角从纯膜的60.17°提高到了81.07°,即改性使膜表面的疏水性能得到了提高。
亲水改性是传统膜改性的主要目的,实验以氯甲基聚醚砜(CMPES)中空纤维膜为基膜,通过SI-ATRP法在膜表面接枝亲水单体聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯(PEGMA),从而提高膜表面的亲水性。扫描电镜和膜的物理结构测试结果说明,反应主要发生在膜表面;ATR-FTIR分析结果表明,膜表面得到了结构确定的聚合物PES-g-P(PEGMA);GPC分析结果显示聚合物分子量随反应时间的增加而线性增加,分子量分布较窄,膜表面的接枝密度也随反应时间的增加而线性增加,说明接枝反应具有可控聚合的特征;研究还发现,在不改变膜截留性能的前提下,改性使膜的亲水性和抗污染能力都得到了明显改善。
在膜的使用过程中,微生物也可以造成膜污染。为了提高膜的抑菌性能,实验再次使用SI-ATRP法,在CMPSF膜表而接枝功能单体4-乙烯基吡啶(4VP),使膜表面具有很强的络合能力,然后再在膜表面络合吸附Cu离子,通过改变溶剂用量考察单体浓度对接枝反应的影响。为了作对比研究,实验又采用共混法直接在PSF铸膜液中同时添加P4VP和Cu离子纺制中空纤维共混膜,考察了P4VP用量对共混改性的影响。通过扫描电镜观察了两种方法改性前后膜的断面和表面形貌,同时测定了膜表面Cu元素的百分含量;通过分析膜内N元素的含量变化验证膜表面聚合物的接枝量,并且考察了改性前后膜的水通量和截留率变化。实验结果说明,溶剂用量为20mL时接枝改性效果最佳,膜表面聚合物的接枝密度可以达到4.7 mg/c㎡,通过络合吸附可以使膜内Cu元素的百分含量达到3.07%,膜对大肠杆菌的抑菌率达到了100%;铸膜液中P4VP的添加量为0.75%时,共混效果最佳,制得的膜内Cu元素的百分含量尽管只能达到1.68%,但是膜的抑菌率也基本达到了100%。