基于双调控策略的P1-SiO2-P2/PVDF共混膜制备及其在废水处理中抗污染机制研究

Membrane separation is an emerging advanced technology in wastewater treatment. However, the problem of membrane fouling is considered as a bottleneck for the popular organic polymer membrane in the full-scale application. In this project, we will explore a new idea to resolve the problem of membrane fouling, based on the bi-regulation control of the surface properties and microstructure of the membrane. We will prepare a novel kind of polymer asymmetric modified silica nanoparticles with tri-functional properties（P1-SiO2-P2）, blend them with polyvinylidene fluoride（PVDF）to prepare P1-SiO2-P2/PVDF membrane, control the conditions to make directional migrate and become exposed at the surfaces of the membrane and the pore walls, endow the surface with micro/nano-structures and hydrophilic polymer chains enrichment. On this basis, we focus on the effect of preparing membrane conditions on the structure and performance of the final membrane, establish their structure-activity relationship for seeking a method on improvement of the anti-fouling performance. Besides, we explore the efficient anti-fouling mechanism of P1-SiO2-P2/PVDF membrane. This project aims at improving the anti-fouling properties of the membrane, and provides the experimental data and theoretical reference for solving the common problem of membrane fouling in wastewater treatment.

膜分离技术是废水处理中应用较为先进的新型技术，然而对于工业上广泛使用的有机聚合物膜，膜污染问题仍为限制其大规模应用的一个瓶颈。本项目拟探索一种同时实现膜表面特性和微结构双调控以解决膜污染问题的方案，研究将构建和制备一种具有三种功能特性的新型聚合物不对称改性纳米二氧化硅（P1-SiO2-P2），并将其与聚偏氟乙烯（PVDF）共混成膜，控制条件使P1-SiO2-P2在成膜过程中定向迁移排布，最终在膜表面形成覆盖有亲水性聚合物链段的微纳米粗糙结构，从而赋予共混膜高效抗污染性能。在此基础上，一方面探索P1-SiO2-P2的制备和共混成膜条件对膜结构和抗污染性能的影响，确立相应的构效关系；另一方面探索P1-SiO2-P2/PVDF共混膜的高效抗污染机制。本项目旨在提高膜的抗污染性能，将为解决膜分离技术在废水处理应用中存在的膜污染问题提供实验及理论依据。

针对工业上广泛使用的有机聚合物膜存在的膜污染问题应用瓶颈，本项目探索了一系列通过膜表面特性和微结构调控的策略改性PVDF膜以解决膜污染问题的方案。结合P(MMA-co-GMA)和PEI的原位交联共聚，通过相分离制备了一系列具有超亲水性和水下超亲油性的共混PVDF膜，改性膜在第十次过滤后除油率和水下油接触角也分别为99.3%和152°； 通过直接喷涂的方法将水性聚合物聚（甲基丙烯酸缩水甘油酯-共-聚（乙二醇）甲基醚甲基丙烯酸酯）P（GMA-co-mPEGMA）和聚乙烯亚胺（PEI）交替喷涂到PVDF膜上，得到了稳定的交联共聚物涂层的多功能PVDF膜，涂层膜能够抵抗蛋白质等有机物的污染。而重金属离子和染料在一定程度上也可以被涂层膜过滤去除，涂覆的PVDF微滤膜对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均具有优异抗菌性能；通过一种简便快捷途径将聚(苯乙烯-共-马来酸酐)（PSMA）和聚乙烯亚胺（PEI）用于涂层PVDF膜以改善其油水分离性能，改性PVDF膜的油水乳液分离效率能达到98.5%以上；制备了含有亲水单元和光交联单元的双功能共聚物，并将其应用于PVDF膜的涂覆，提高了PVDF膜的防污性能和涂覆稳定性，改性PVDF膜的抗BSA污性能得到了显著改善，更重要的是，由于二嵌段共聚物的PCEMA链的交联，共聚物涂层非常稳定；通过不对称接枝或者共混接枝的方式制备新型改性磁性纳米二氧化硅颗粒，并与PVDF膜基材共混制备改性膜，改善膜抗污染性能并用于油水分离；通过XDLVO理论分析混合有机污染物对膜污染的影响，并通过过滤实验验证了通量衰减与界面能的对应关系，从理论出发探索膜污染问题以提供有效的膜污染问题解决方案；另外，在其它相关方面进行了探索性研究。本项目为解决膜分离技术在废水处理应用中存在的膜污染问题提供实验及理论依据，具有重要意义。