自组装高通量无缺陷膜的形成机制与水处理性能研究

It is of paramount important to develop a low-cost, high foulants rejection, defect-free, high flux and antifouling ultrafiltration membrane by the molecular self-assembling method, which can improve the water quality of water treatment and promote broad applications of membrane technology. This research is based on our former work(We have successfully fabricated high-performance, defect-free ultrafiltration membrane. Working pressure 0.07 MPa, the flux of PVDF ultrafiltration membrane can reach 5170 L/m2•h•bar, the removal efficiency of humic acid is 77.69%, and the removal efficiency of sodium alginate is 90.79%). We try to explore the mechanism of ultrafiltration self-assembling by tuning some parameters (such as, solvent selection, evaporation time, selection of amphiphilic graft copolymers). We can dramatically reduce water treatment cost and improve the effluent water quality by properly controlling membrane pore size and pore density. This work can be the basis of an industrial-scale application by comparing the performance of newly designed self-assembling membrane with a commercial membrane to treat water containing typical model organic matters.

通过分子自组装原理开发低成本、高截留率、无缺限、高通量、抗污染的超滤膜对提高水质处理效果以及膜技术的推广具有十分重要的意义。本研究拟在前期制备出高性能、无缺陷膜（工作压力0.07MPa，PVDF超滤膜的通量高达5170 L/m2∙h∙bar，腐殖酸的去除率达到77.69%，海藻酸钠的去除率达到90.79%）研究工作的基础上，进一步深入探究纳米自组装膜的形成机制，通过合理的控制参数条件（如溶剂的选择、蒸发时间、两亲共聚物的选择等），达到膜孔径、孔密度等的有效控制，从而使膜的处理成本显著降低、使处理水的水质安全得到进一步提高。通过SEM,XPS,AFM,接触角测量及模型计算等方法，深入探究自组装膜的形成机制。选取典型的有机污染物为代表，对自组装膜与商用超滤膜进行性能测试，比较分析。为自组装膜的潜在大规模工业化应用提供前期的研究基础。

膜技术作为一种低能耗、高效率的新型分离方式发展迅猛。其中，超滤膜是滤膜市场中年产量最大的部分，广泛应用于制药、食品、水处理等领域。聚偏氟乙烯（PVDF）和聚氯乙烯（PVC）是最常用的膜材料，但在实际应用过程中依然面临着通量低、易受污染、制备过程不绿色环保等缺点，是限制行业发展的瓶颈。本项目利用原子转移自由基聚合的方法合成两亲性接枝共聚物聚偏氟乙烯-接枝-聚乙二醇甲基丙烯酸酯（PVDF-g-PEGMA），作为添加剂与PVDF共混制备自组装结构的超滤膜，大幅提高膜的亲水性、渗透通量（5170 L/m2 h bar）和抗污染性能。优化了接枝物的接枝率和添加量，以及使用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作支撑层，进一步提升该高通量无缺陷膜的性能。此外，通过改变溶剂，制备了具有超润湿性的PVDF/PVDF-g-PEGMA超滤膜，水在膜表面的接触角从70°下降至20°仅需0.3秒。基于此项技术，又成功制备了PVC/PVC-g-PEGMA、PVDF/PVDF-g-DMAPS共混超滤膜，研究溶剂种类、添加剂含量等因素对膜性能的影响，探索优化的配比。为了提高膜制备过程的可持续性，探索了采用绿色溶剂二甲基亚砜（DMSO）及PolarClean部分替代或完全替代传统溶剂制备PVDF和PVC超滤膜。使用PolarClean制备的PVC/PVC-g-PEGMA超滤膜具有极高的纯水渗透率（大于5000 Lm-2h-1bar-1），接近98%海藻酸钠截留率，经过DMAPS的表面接枝改性后，抗污染性能大幅提高，7小时污染后膜通量恢复率高达86.4 %，显示出优异的综合性能。本项目制备了多种高通量高抗污染性的超滤膜，探索其形成机理、进行形态调控，并为膜技术可持续发展做出贡献。