原位成纤增强PVDF中空纤维膜的成纤及其增强机制研究

The design of reinforced hollow fiber membranes offers a tremendous potential for prolonging the service life of membrane bio-reactors. However, this kind of hollow fiber membrane suffers a problem that the separation layer could be easily peeled from the reinforced matrix. This project aims to prepare microfiber-reinforced PVDF hollow fiber membranes via thermally induced phase separation and in-situ fibrillation method. The mechanism of phase separation, fibrillation and fiber-reinforcement will be studied to regulate the interfacial interaction between microfibers and the PVDF matrix. On one side, phase diagrams of different “PVDF/fiber forming polymer (FFP)/diluent” system and the dynamics of droplet growth and polymer crystallization will be investigated to reveal the mechanism of phase separation and film formation. One the other side, on the above basis, hollow fiber membranes will be prepared. The mechanism of in-situ fibrillation and fiber-reinforcement of “PVDF/FFP/diluent” system will be revealed by investigating the structure of microfibers and matrix pores, the interface bonding state between microfibers and PVDF matrix, as well as the morphological evolution of dispersed phase during the extruding process. Furthermore, the separation performance and mechanical properties of composite membranes will be controlled by regulating their structure and morphologies. These results will provide a new design idea and theoretical guidance on preparation of reinforced PVDF hollow fiber membranes. Therefore, this project is of great value in theory and application.

增强型中空纤维膜的设计为延长膜生物反应器使用寿命提供了巨大的潜力，针对该类膜的增强体与膜体易产生界面分离的问题，本项目拟将热致相分离技术与原位成纤技术相结合，制备聚合物微纤增强聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维膜，并开展其相分离机理、成纤及其增强机制研究，以获得调控增强体与膜体界面结合作用的方法。一方面，研究不同组成的“PVDF/成纤聚合物（FFP）/稀释剂”体系相图，建立体系的液滴生长动力学模型与聚合物结晶动力学模型，提出体系相分离以及成膜机理；另一方面，以此为基础制备中空纤维膜并考察其微纤结构形态、基体孔结构、微纤与基体膜结合状态以及膜性能，研究挤出过程分散相的形态演变，探讨“PVDF/FFP/稀释剂”体系的原位成纤及其增强机制，建立膜结构与性能的关系模型，获得膜性能调控方法。本项目的开展可为制备增强型中空纤维膜提供新的设计思路和理论依据，具有重要的理论和应用价值。

（由于本人更换工作单位后缺乏制备中空纤维膜的关键设备，项目的主要研究内容由原位成纤增强中空纤维膜转向亲水改性抗污染分离膜的研究。）. 膜污染是分离膜运行过程中不可避免且又严重削弱分离膜水通量和产水水质的问题，为获得具有良好抗污染性能的超滤膜，本项目开展了以下的研究工作：通过自由基聚合技术合成了三种含有邻苯二酚结构单元、2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酸胆碱结构单元以及第三种亲水结构单元的共聚物，并将它们分别与多巴胺共沉积到PVDF基膜的表面。考察了表面改性前后PVDF超滤膜表面的化学组成、形貌、粗糙度以及亲水性的变化，研究了表面亲水改性对PVDF超滤膜的分离性能（渗透通量与截留率）、抗污染性能（污染物吸附情况、通量下降率、通量回复率等）的影响，阐明了两性离子聚合物改性PVDF超滤膜的抗污染机制。共沉积层的存在，一方面可减小基膜表面膜孔孔径，提高分离层的致密程度，另一方面则增加了改性膜表面的粗糙度和亲水性。与未改性基膜UM-PVDF-0相比，共聚物改性膜，特别是具有最佳水溶性的p(DM)/PDA PVDF，其水通量（174.5 L/(m2⋅h)→192.5 L/(m2⋅h)）、BSA截留率（81.4%→96.1%）、抗污染性能（FRR1:75.3%→82.6%，FRR3:73.4%→97.8%）均显著提高，表明利用含两性离子和邻苯二酚结构单元的共聚物与多巴胺对疏水膜进行亲水改性的策略，不仅可以突破传统分离膜中常见的trade-off效应的限制，还能显著提高疏水膜的抗污染性能。本项目的开展可为制备抗污染型水处理膜提供新的设计思路和理论依据，具有重要的理论和应用价值。