PVDF离子交换膜-水界面氟离子迁移转化的微观机制与调控研究

饮水型氟中毒在世界范围内分布广泛，对居民健康和饮用水安全构成了严重威胁。PVDF离子膜具有独特的表面性质且能直接影响氟离子在膜表面的迁移，但氟离子在PVDF离子膜/水界面的迁移转化作用机制目前尚不清楚。针对这一科学问题本项目拟以高氟地下水中的氟离子为研究对象，将流体传质动力学特性和材料表面性质分析相结合，探明PVDF离子膜的表面结构与表面性能的相互关系，揭示氟离子与膜表面的相互作用方式、电子结构特征和成键机制及其与膜表面性质和溶液特性之间的内在联系，探索提高氟离子选择透过PVDF离子膜的操作参数和膜表面改性方法。项目研究成果将对新型除氟离子交换膜的开发、电渗析除氟技术的发展具有重要的指导意义，也可为氟污染地下水资源合理有效利用和建立饮用水安全保障体系提供理论与技术支撑。

饮水型氟中毒在世界范围内分布广泛，对居民健康和饮用水安全构成了严重威胁。本项目对氟离子在膜/水界面的迁移转化、氟与膜的相互作用等影响氟离子分离效果的因素进行了试验研究和理论分析。开发了纳米SiO2/PVDF离子交换膜，测试了该种离子膜的分离性能，优化了膜的制备工艺。对膜的微观形貌和结构特征与性能研究发现，氟离子在膜/水界面的扩散与膜表面形态和孔结构密切相关，膜相中无机纳米颗粒的亲水性和纳米尺度效应有利于氟离子的迁移。对膜与氟离子的相互作用分析发现，存在季胺碱基对氟离子的选择作用外，氟离子与膜的化学相互作用主要是氟离子易与膜相中的-OH中的氢键合；起主要作用的非键相互作用力是静电力作用和水合氟离子和膜中氢键的相互作用。溶液pH值和共存离子钙或镁的浓度等对氟离子的迁移有显著的影响。多种离子与氟离子共存条件下，氟离子会与金属离子形成络合物，从而影响氟离子的迁移，导致氟离子分离效果降低。溶液pH值小于和大于膜的零点电位pH分别促进和抑制氟离子在膜/水界面的迁移。研究首次发现成膜材料中加入纳米无机颗粒可以改善氟离子在PVDF离子膜表面的迁移，同时通过调控操作条件、环境条件等，可以获得较好的氟离子分离效果。