第41卷第6期2013年6月化-1-_新型材料NEWCHEMICALMATERIALSVol-41No・6。175’纳米Ti02改性PVDF中空纤维膜的制备及性能研究陈雪丹魏永。董良飞(常州大学环境与安全工程学院,常州213164)摘要疏水性聚偏氟乙烯(PVDF)膜的亲水化改性是当前膜分离技术研究的热点之一。利用共混改性将纳米Ti02颗粒加入铸膜液,通过溶胶凝胶法制备改性PⅥ)F中空纤维膜。采用AFM和SEM对膜表面进行表征,以接触角,孔隙率,水通量和平均孔径为评价标准,确定改性膜中纳米TiOz颗粒授加的最佳比例。结果表明:与未改性膜相比,改性膜表面平滑,粗糙度明显降低;改性膜断面的孔状结构更加微小,内部主要以海绵状为主;改性膜的接触角及孔隙率均有所改变,膜表面的亲水性增强,纯水通量提高4—5倍,最大达657.3L/m2・h。关键词PVDF膜,共混改性,Ti02,纯水通量ResearchofpreparationandcharacterizationofPVDFhollowfibermembraneChenXuedanmodifiedbynano-Ti02DongLiangfeiWeiYong(SchoolofEnvironmentalandSafetyEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou213164)AbstracttopicsonHydrophilizationmodificationofhydrophobicpolyvinylidenefluoride(PVDF)membraneisoneofthehotmembraneseparationrecently.ModifiedPVDFhollowfibermembranewaspreparedwithblendingmodificationbyaddingnano-TiOzparticlesinthecastingsolutionthroughthesol—gelmethod。AF】ⅥandSEMwereusedtocharacterizethemembranesurface,someparameterssuchascontacttOangle,porosity,waterfluxandaverageporediameterwereusedtOdeterminethebestprotx)rtionofnano-Ti02particlemodifiedmembrane-Theresultsshowedthatthesurfaceofmodifiedmembranewassmoother,itsroughnesswasdecreasedsignificantly,theporesizesofmodifiedmembranebecomedsmaller,andlookedlikespongyinsidecomparedwithunmodifiedmembrane.Besides,thecontactangleandporosityofmodifiedmembranehadbeenchanged,andthehydrophilicityofmembranesurfacehadbeenenhanced,thepurewaterfluxofthemodifiedmembranehadincreasedby4~5times,andalmostreachedthema)【imumof657.3L/m2・hKeywordsPⅥ)Fmembrane,blendingmodification,TiQ,purewaterflux聚偏氟乙烯(PⅥ)F)是一种优良的高分子聚合物有机材料,具有优异的化学稳定性、耐候性、抗污染性、耐辐射和易成膜等优点[1]。但PVDF表面能低、疏水性强,在水处理中易受污染,使膜阻力增大、水通量下降,从而增加膜清洗频率及膜成本,因此,亲水改性已成为一个重要的研究方向[2]。目前PVDF膜改性方法主要有表面改性、化学改性和共混改性[3]。但表面改性的涂覆层易从膜表面脱落、持久性差;化学改性会降低膜强度且过程复杂;共}昆改性操作简便且反应条件温和,因此与其他方法相比具有一定优势。EF等[4]研究了亲水添加剂氯化锂和PVP对PVDF膜制备过程的影响,结果表明分散的无机纳米颗粒促进高聚物材料膜性能的提高。纳米颗粒具有亲水性强、化学性稳定、抗菌性、比表面积大和活性高等优势[5-6]。常见的纳米颗粒主要有Sid”、A12d8|、CaC(蔓…、和Tidl“113,本研究通过L-s相转换法和共混无机纳米Ti02粒子制备了不同Tioz含量的改性PVDF中空纤维膜,使之兼具有机膜和无机膜的优势,并通过AFM、SEM表征,以接触角、孔隙率、纯水通量及平均孔径为指标考察纳米Ti02含量对膜结构和性能的影响,以此确定改性膜中最佳纳米Ti02的投加比例,为改性膜的研究及应用提供最佳工艺参数。1实验部分1.1材料和试剂聚偏氟乙烯(PVDF,MW:570000,solt:@1015,上海联宏新材料科技有限公司),聚乙烯吡咯烷酮(PVP,BR级,上海如吉生物科技发展有限公司);纳米二氧化钛(Ti02,比表面积50±15m2/g,P25,德国德固赛),二甲基乙酰胺(DMAe,化学纯,国药集团)。1.2中空纤维膜的制备目前已商品化的MBR分离膜组件结构形式多样,应用于膜工艺的膜构型主要有5种,分别是中空纤维帘式、平板式、多管式、毛细管式和卷式[12|。影响铸膜液纺丝性的因素主要有纺丝原液性质、喷丝孔挤出速度、喷丝板孔径大小及长径基金项目:常州市社会发展科技支撑课题(CE20115017);常州大学校级基金项目(ZMFll02083)。作者简介:陈雪丹(1988一),女,硕士研究生,主要研究方向:膜处理技术。联系人:魏永(1975一),博士,副教授,从事膜法水处理技术教学与研究。万方数据・176・化工新型材料第41卷比、空气层高度、凝固浴条件等m1。纺丝系统如图l所示,制膜参数见表1。膜组件抽滤瓶压力表循环水式真率泵图2水通量装置,江阔■一r图1纺丝系统表1工艺条件幽皇1.3中空纤维膜的结构和性能表征PVDF膜表面粗糙度采用原子力显微镜AFM(Nanoman气瓶VS,美国Veeco)表征,扫描电镜SEM(JSM-6360LA,Et本电子株式会社)观察断面结构及膜孔分布。膜表面亲水性表征采用重量法测定孔隙率;接触角测定仪(HARRE-SPCA)测定膜表面接触角;过滤法测定平均孔径;纯水通量利用图2装置,在压力0.1MPa下测定一定时间内透过膜组件的水量,计算纯水通量L(L/m2・h)。2结果与讨论2.1不同TiQ含量PVDF膜微观结构2.1.1Ti02含量对PVDF膜表面粗糙度的影响膜表面粗糙度会影响微孔膜的疏水性能。由图3可看出,图3-b(PvDpl)的表面最平滑,而PVDF-0和PVDF-2较粗糙,明暗及山峰起伏表明膜表面凹凸不平。从表2可看出,随着Ti02含量的增加,R、R和‰先减小后增大,说明膜现“团聚”现象。侯得印等[14]将CaC03添加到PVDF中空纤表面随纳米Ti02的增加而变平滑,但当TiQ含量为2%时粗糙度反而增加,这可能是由于部分Ti02在膜表面的微孔处出维膜中,也发现了类似的现象,当复合膜中CaC03含量超过20%时,部分纳米粒子在复合膜中出现“团聚”现象。一般地,粗糙度越低,膜表面亲水性越好,抗污染性能越强。M∽∞岬mf.2LLn11.2un0.0“m0.0u“…10um0p-m001uomp,“图3-a、b、c分别为PVDF-0、PVDF-1和PVDF-2的膜表面AFM照片扫描面积为10×10btmz,高度为1200nm表2表面粗糙度从图4a、b、c-断面中发现,PVDF-0和PVDF-2断面指状孔主要集中在断面外部,而且指孔状较多,但PVDF-1断面外部指状孔多且小,部分指状孔出现在断面内部的海绵孔中。断面从内到外由海绵孔向指状孔延伸,海绵孔厚度随Ti02增加而增加,但随Ti02进一步增加而减少。这表明添加适当Ti02,削弱了成膜过程中非溶剂(水/乙醇)/溶剂(DMAc)的相互扩散速度,发生了延迟相分离,减少了指状孔结构。适当2.1.2Ti02含量对PVDF膜断面结构的影响Ti02含量降低了指状孔结构的长度,增加了中间海绵状结构,形成了更小膜孔径。图4a、b、c一断面内部及中间都表明,PvDF-1的微孔状更加细微。从图4a、b、c-外表面中可看出,PVDF-1比PVDF-0和PVDF-2光滑。适当Ti@含量可加强膜表面光滑度,但随着Ti02含量增加,粒子会发生“团聚”现象,降低膜表面光滑度。万方数据第6期陈雪丹等:纳米Ti02改性PⅥ)F中空纤维膜的制备及性能研究・177・瀚阉弼黼剿粼囤羹羲图42.2SEM照片2.3Ti02含量对PVDF膜亲水性的影响膜表面亲水性可以用接触角大小表征,一般地,接触角越Ti02含量对PVDF膜孔隙率的影响PVDF-0,PVDF-1和PVDF-2的孔隙率如表4,PVDF-1小,膜表面张力越大,亲水性越强[15|。PVDF膜是疏水性膜,亲水性的增强有利于水分离过程中水通量增加,且不易被疏水性物质污染。从表3中可看出,PVDF-1接触角最小,表明其亲水性最好,抗污染能力最强。这是因为亲水性膜表面与水分于之间的氢键作用使水分子能优先被吸附,使水分子呈有序结构。疏水性物质若接近膜表面,需消耗能量来破坏有序结构,所以亲水性膜增强了抗污染性能[16。。随着Ti02含量增加,中空纤维膜表面接触角先减小后增大,这和SEM表征结果一致。这是由于适当添加纳米Ti02粒子可改善膜表面亲水性,但过多Tioz会“团聚”在膜表面,增加膜表面粗糙度,不利膜表面亲水性的增强。因此只有添加适当比例纳米Ti02粒子才提高膜性能。表3接触角的孔隙率比PVDF-0和PVDF-2大。孔隙率大,有利于膜通量的提高,膜厚度增加会使通量下降,因此选择适当Ti02含量以使膜通量达到最优。2.4Ti02含量对PVDF膜纯水通量的影响将膜组件连人如图2装置,控制压力为0.1MPa,取2h累积水通量平均值。从表5中可看出,膜组件过滤前后,PVDF-1和PVDF-2的纯水通量都明显比PVDF-0要大的多,PVDF-1的纯水通量是PVDF-0的4至5倍多,说明改性效果非常好。PVDF-1过滤前后水通量衰减量比PVDF-2和PVDF-0的小,说明PVDF-1抗污染性能比PVDF-0和PVDF-2好。出现上述现象原因是,加入纳米Ti02粒子后,颗粒分散在聚合物溶液中,使聚集态结构发生变化,膜孔隙率增加和亲水性增强,膜水通量增加。而若纳米粒子含量过多,会引起“团聚”,减小膜表面孔隙率,反而不利水通量增加。2.5Ti02含量对PVDF膜平均孔径的影响表6列出了不同TiCh含量中空纤维微滤膜的平均孔径,表4孔隙率PVDF-0的平均孔径最大,适合平均粒径大于0.018pxn的粒子或分子的截留过滤。从表6中可看出,改性PVDF膜平均孔径有所减小。这是因为随TiCl2含量增加,平均孔径逐渐减小,有利于截留更小颗粒,同时减小了膜内大孔的形成几率,提高了膜的分离性能。但PVDF-2的孔径与PVDF-1差异不大,成本略高,因此PVDF-1的铸膜液配比最具有应用潜力。表5纯水通量表6平均孔径膜组件PVDF-0平均孔径(tan)0.018PVDF-10.013PVDF-20.0113结论利用溶胶一凝胶法将TiQ共混加入铸膜液制备改性PVDF膜。研究表明,通过膜性能表征测试,PVDF-1改性效果比PVDF-0和PVDF-2有优势。(1)纳米Ti02颗粒对膜微观结构有较大影响,降低了膜表面的粗糙度,抑制了断面内部指状孔的生成,促进了海棉孔的生成,有利于增强膜的分离性能。(下转第183页)万方数据一———————————————————————————————————————一第6期张拯等:碳纤维表面处理对水泥砂浆性能的影响及其发展方向PolymerSci—47—51.・183・gr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陈雪丹, 魏永, 董良飞, Chen Xuedan, Wei Yong, Dong Liangfei常州大学环境与安全工程学院,常州,2131化工新型材料
New Chemical Materials2013,41(6)
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