基于纳米TiO2调控膜表面能提升PVDF改性膜抗污染性能的机制研究

In order to tackle membrane fouling problem of membrane bioreactors (MBRs) and to develop anti-fouling membrane materials, this project is tended to use nano-TiO2 for modifying membrane surface energy, aiming to improve anti-fouling ability of polyvinylidene fluoride (PVDF) membranes that are currently widely used in MBRs. The bonding mechanisms of nano-TiO2 and PVDF functional groups, together with the existing states of nano-TiO2 in PVDF materials, will be clarified. The effects of shape, dosage, properties of nano-TiO2 and various membrane preparation parameters on the interactions between nano-TiO2 and PVDF will be analyzed, for disclosing the relationship between surface energy improvement and the optimization of nano-TiO2 existing states and the control of nano-TiO2/PVDF bonding pathways. The project is designed to establish oriented control measures for improving membrane surface energy through screening the shape, dosage, properties of nano-TiO2 and optimizing membrane preparation variables. It is expected to disclose the nature of using nano-materials to improve anti-fouling ability of organic membranes, and to develop the technology for preparing nano-material-modified membranes through regulating membrane surface energy. The project will facilitate guiding the future developing trend for nano-material-modified organic membranes for China. The results achieved in this project are also expected to firmly support the development of anti-fouling membrane materials in China, and thus pushing forward the wide applications of MBRs for wastewater treatment and reclamation.

针对MBR应用中膜污染控制问题及对抗污染膜材料的需求，以使用广泛的PVDF膜为研究对象，围绕纳米TiO2调控膜表面能提升PVDF改性膜抗污染性能的机制开展研究，阐释纳米TiO2/PVDF基体之间的键合、纳米TiO2的赋存形态与表面能的关系，识别纳米TiO2形态、剂量、性质及成膜过程参数对纳米TiO2与PVDF基体之间的物化作用影响，揭示表面能提升与基于优化纳米TiO2赋存形态、诱导TiO2/PVDF基体键合形式调控的响应关系，建立以表面能为控制目标、以纳米TiO2形态/剂量/性质及成膜过程参数为手段的PVDF改性膜制备调控技术策略。项目预期能够揭示纳米材料改性膜提升抗污染能力的本质，形成基于纳米材料调控膜表面能进行高分子有机物改性膜制备技术，明晰纳米材料-高分子改性有机膜制备的优化发展方向，为我国抗污染膜材料的开发提供坚实技术支撑，推动MBR技术在我国污水处理与资源化领域的广泛应用。

本项目针对膜生物反应器（MBRs）应用中膜污染控制问题及对抗污染膜材料的需求，围绕纳米TiO2调控膜表面能提升PVDF改性膜抗污染性能的机制开展研究。在解析纳米TiO2与 PVDF 基体之间的物化作用机理、膜基本性能与膜表面能关系的基础上，阐释了纳米TiO2/PVDF基体之间的键合、纳米TiO2赋存形态与PVDF改性膜表面能的关系，建立了以表面能为控制目标、以纳米TiO2形态和剂量为调控手段的纳米TiO2/PVDF 改性膜制备的定向调控策略，完成了项目计划书的各项研究内容，取得了以下研究成果：.（1）对纳米TiO2与PVDF膜相互作用机理及效应研究发现纳米颗粒的投加量对膜性能、结构影响显著。当纳米TiO2投加量低于0.05%时，膜亲水性能、过滤性能随着投加量的增加而提升，说明适量的纳米添加量可以有效提升纳米TiO2改性PVDF膜的效能；而过高剂量会引起纳米颗粒在PVDF基体中的团聚和非均一分散，对膜性能造成不利影响。综合膜性能的测试结果确定了纳米TiO2的适宜剂量为0.05%。.（2）结合经典的XDLVO理论对膜的基本性能与表面能间的关系进行解析。采用海藻酸钠溶液为模拟污染物研究了纳米TiO2添加对PVDF膜与污染物之间相互作用能的影响，利用 XDLVO理论探究膜与污染物之间吸附行为。研究发现当纳米TiO2投加量为0.05%时膜与胶体污染物之间相互作用能垒最高，对污染物排斥力最大，抗污染性能最佳。.（3）建立以优化纳米TiO2赋存形态、诱导TiO2/PVDF基体键合形式为手段的提高膜表面能的调控措施，并创新性地将多重光散射仪引入铸膜液稳定性的测定与表征。通过对比纳米TiO2粉体、TiO2溶胶（溶胶-凝胶方法制备）改性PVDF膜的膜性能、抗污染性能，发现TiO2溶胶改性PVDF膜具有更优异的膜性能、抗污染性能和纳米颗粒分散稳定性。.（4）对纳米颗粒改性膜在MBR中的长期运行特性研究表明纳米颗粒改性PVDF膜清洗周期明显延长，膜面吸附/聚集污染物含量降低，抗污染性能提升，纳米颗粒改性 PVDF 膜拥有长期抗污染效果，验证了纳米 TiO2/PVDF成膜定向调控策略。