摘要
将无机纳米颗粒与PVDF共混,采用相转化法制备的无机纳米颗粒/PVDF共混膜,较目前广泛应用的PVDF膜而言,具有亲水性强,水通量大,机械强度高,抗污染性好的特点。但是,无机纳米颗粒/PVDF共混膜中,纳米颗粒与PVDF的作用机制以及膜中纳米颗粒是否会流失等问题,始终是研究的热点和难点。 对此,本文采用相转化法将纳米Al2O3颗粒与PVDF共混制备了纳米Al2O3/PVDF共混膜,并考察了膜内纳米Al2O3的流失规律及其影响因素。结果表明:纯水处理不会引起共混膜内Al2O3颗粒的流失;溶液pH值会带来较大影响,与碱性溶液相比,酸性溶液中纳米颗粒流失率较小,pH=1、3时,纳米颗粒的流失率分别为5.79%和4.09%,而在碱溶液中对纳米颗粒流失率为16.73%,并且随着溶液pH值增大,纳米颗粒流失率明显增大,当NaOH溶液pH值从11增加到13时,纳米颗粒流失率增大了约2.4倍;溶液温度和体积对纳米Al2O3流失量影响较小;共混膜中纳米Al2O3初始含量越多,纳米颗粒流失量越大,但并不存在绝对的线性关系。 本文考察了纳米Al2O3流失对共混膜水处理性能的影响。用杯式超滤装置测定了膜纯水通量和抗污染性能的变化;用接触角测定仪测量膜的纯水接触角,表征膜的亲水性变化;采用强度测定仪测定膜的机械性能;并考察了纳米颗粒流失前后共混膜截留分子量的变化。结果表明:化学溶液处理前后,共混膜的截留分子量均未改变;虽然酸溶液对共混膜内纳米Al2O3的流失作用较小,但经酸溶液处理后共混膜的清水通量较未处理前由180L/m2h降至140L/m2h,接触角由56.7o增加到57.8o,抗污染性能变差,膜水通量恢复率降低;与之相反,碱溶液处理造成Al2O3/PVDF膜内纳米颗粒大量流失,但碱溶液处理改善了膜抗污染性能,并提高了膜水通量恢复率;经次氯酸钠溶液处理后的共混膜,纳米颗粒流失量较强碱性溶液处理后膜内纳米颗粒流失量少,膜的清水通量由180L/m2h增加至190L/m2h,但膜的抗污染性能较未处理前有所下降。 用扫描电子显微镜(SEM)对膜表面、断面的结构形态及膜内部孔结构进行了分析,测试结果显示,纳米颗粒的流失并未引起共混膜结构的变化,共混膜仍保持致密皮层和指状空孔结构,只是膜表面粗糙程度发生了一些改变;用能量分析光谱仪(EDX)对膜中元素的相对含量进行了分析,结果证实:经化学溶液处理后,膜中Al元素含量有不同程度的减少,说明纳米Al2O3颗粒部分流失。 本文还针对纳米Al2O3/PVDF共混膜中纳米颗粒与PVDF间的作用机制进行了研究。采用傅立叶红外光谱仪(FT-IR)、X射线衍射仪(XRD)以及核磁共振波谱仪(1HNMR),分析了纳米Al2O3的加入对PVDF膜表面特征、晶体类型和化学结构等的影响,结果表明:共混膜的XRD谱图中,PVDF的晶型数量减少,晶型数量增加,说明纳米组分引起了共混膜应力的变化;共混膜的红外谱图中除了纳米粒子和PVDF的特征吸收峰外,没有出现新的吸收峰,说明共混膜中没有新的化学键形成;共混膜的X射线衍射图谱也没有新的衍射峰出现;核磁共振图谱中也没有产生任何新的化学位移峰,均证实了纳米Al2O3颗粒与PVDF之间没有化学作用,为单纯的物理混合。
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