摘要
石化、钢铁、焦化、食品加工等行业产生的含油废水对自然环境、生态系统和人类健康都产生了极大的威胁。膜分离技术由于其具有分离效率高、能耗低、占地面积小等特点，在油水分离领域展现良好的应用前景。常见的油水分离膜分为亲水-疏油膜和疏水-亲油膜，使用亲水-疏油膜处理含油废水，水通过膜到达下层，而油滴被膜表面亲水物质阻隔在上层，达到油水分离目的;疏水-亲油膜则与之相反。基于织物和聚合物膜的超亲水多孔材料应用于油水分离中，是目前最方便、高效的处理方法之一。但现有聚合物材料大多数疏水，表面亲水涂层结合力不足，改性方法操作复杂，限制了其在实际生产生活中的应用。因此，探索一种简单操作、性质稳定的膜表面亲水改性方法，是推广超亲水膜应用于油水分离的关键。本论文旨在探寻适用于各种基底的亲水改性方法以制备超亲水多孔材料实现高效的油水分离。 首先，受贻贝万能粘附性和两性离子聚合物亲水性能启发，设计了一种利用多巴胺甲基丙烯酰胺(DMA)与2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(MPC)三步法亲水改性制备油水分离膜。由于DMA在严苛环境中（如强酸强碱）的稳定性有待进一步提高，接下来探究了更稳定的亲水改性方法。受二苯甲酮紫外光照下共价交联反应的启发，合成了4-丙烯酰氧基二苯甲酮（4-ABP），与MPC共聚制备得到聚4-丙烯酰氧基二苯甲酮-2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(4-ABP-MPC)，获得具备长久稳定性的超亲水油水分离膜。结合表面涂覆和表面接枝方法的优势，提出了两种操作简单、改性效果好、基材通用的亲水改性方法，主要工作如下: (1)合成多巴胺甲基丙烯酰胺(DMA)，该材料具有多巴胺的粘附性，同时可以与2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(MPC)在光引发剂2-羟基-2-甲基苯丙酮(HMPP)作用下发生聚合反应，实现膜表面的超亲水改性，提高膜的油水分离效率。本项工作中使用盐酸多巴胺合成DMA，使用疏水PVDF膜和亲水PES膜作为代表材料，分别浸入DMA与Tris-HCl的混合溶液中，得到粘附着pDMA的基膜;利用2-羟基-2-甲基苯丙酮(HMPP)作为光引发剂，在紫外光照射的条件下，引发自由基聚合，将MPC接枝在DMA上。采用扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱(ATR-FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和接触角测量仪(CA)等测试手段研究了MPC浓度对膜表面形貌和亲水性能的影响。结果表明，DMA-MPC三步改性法对疏水PVDF膜与亲水PES膜同样适用，当改性MPC浓度为175 mg/mL时，PVDF膜与PES膜纯水通量分别提高了3.2倍和3.6倍。对膜的油水分离性能和通量恢复率也进行了研究，改性膜均表现出良好的过滤分离和抗污染性能。该方法具备普适性，可用于多种基底膜改性。 (2)利用二苯甲酮光交联特性，通过合成聚4-丙烯酰氧基二苯甲酮-2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(4-ABP-MPC)共聚物，将两性离子MPC接枝于膜表面，实现超亲水改性，以提高膜的油水分离效率。本项工作中使用4-羟基二苯甲酮合成4-ABP，通过自由基聚合制备4-ABP-MPC，该共聚物同时拥有光交联反应官能团（二苯甲酮）和超亲水官能团(MPC)。使用4-ABP-MPC分别对无纺布膜和PVDF膜亲水改性，分别用于油水与油水乳液分离。通过扫描SEM、ATR-FTIR和CA等探讨了4-ABP-MPC改性浓度对改性后的无纺布膜和PVDF膜表面形貌和润湿性的影响。结果表明无纺布膜的接触角从128°降至低于10°，水通量最高能达到46929 (L/m2h)，正己烷-水和煤油-水混合溶液的分离效率分别提升至91.6％和96.7％。同时在强酸强碱条件下，循环分离正己烷油水混合溶液八次，改性后的无纺布膜表面仍为超亲水性，验证了该改性方法的稳定性。除此之外，使用改性后的PVDF膜对油水乳液分离，在20 mg/mL时PVDF膜通量达到最高609.5514 (L/m2h)，对正己烷-水乳液分离效率最高达到98.7％。4-ABP-MPC可用于表面富含C-H键的织物或聚合物膜的亲水改性，并且改性膜具有良好的过滤分离性能和优越的稳定性。
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