聚丙烯腈/四氧化三铁超滤膜的结构、性能及正交磁场的影响

论文摘要

本文介绍了超滤的原理、超滤膜的分类与制备方法及影响超滤膜结构与性能的因素;综述了超滤的应用、存在的问题与发展趋势及有机/无机膜的研究进展。针对超滤膜中膜材分子取向不能根据膜微观结构需要进行人为控制的问题,首次选择磁性物质（Fe3O4）为无机填料,以聚丙烯腈为基材、二甲亚砜为溶剂、聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇为致孔剂配制悬浮液,利用浸没沉淀相转化法在有磁场和无磁场作用下制备了PAN- Fe3O4超滤膜。采用DSC、DTG和DMA研究了膜的热稳定性,用浸泡法研究了膜的化学稳定性,用原子力显微镜（AFM）和电子显微镜（SEM,FESEM）观察了膜的微观结构,用错流超滤装置进行了纯水、牛血清蛋白水溶液、猪血溶液过滤实验评价了膜的分离性能。取得的主要成果与结论如下:膜材料的分子取向对超滤膜的微观结构有重要的影响。在正常的制膜条件下,用1500高斯正交磁场作用于膜的形成过程,可以控制膜材分子（Fe3O4）的取向,这为控制超滤膜的微观结构提供一种新的方法。对蛋白质溶液进行超滤时,超滤膜的相对渗透通量通常为20-30%。过滤猪血溶液的对比实验发现:在正交磁场作用下所制的PAN- Fe3O4超滤膜的渗透通量和相对渗透通量均高于相应无磁场作用下所制的PAN- Fe3O4超滤膜,而且,磁化膜的稳定相对渗透通量均在35%以上,个别能达到50%以上;磁化膜与非磁化对血液蛋白的截留率相近。同时,还阐明了该过程中膜的污染机理,该机理能很好地解释膜性能的变化规律。结果表明在PAN- Fe3O4超滤膜制备过程中使用外加磁场作用能有效提高膜的耐污染能力,这一结果为开发适用于血液处理的耐污染超滤膜提供了一种新途径;在PAN- Fe3O4超滤膜中,四氧化三铁与PAN在室温下没有形成化学键,也不存在官能团之间的相互作用;添加Fe3O4对膜的玻璃化温度没有影响,但能提高PAN环化脱氢反应的温度和分解温度;PAN- Fe3O4超滤膜的耐酸性强于耐碱性,在pH值为10以上的溶液中由于水解作用而溶解,使得膜失去使用价值,膜的耐酸性与酸的种类、浓度和氧化性有关。无外加磁场作用时所制得的PAN- Fe3O4超滤膜在结构与性能方面有以下规律:与不添加Fe3O4时相比,在铸膜液中添加1.1wt%的Fe3O4时,膜的平均孔径显著减小,表面粗糙度显著增大;随着Fe3O4添加量从1.1wt%增大到4.3wt%,膜的表面粗糙度逐渐减小,膜的平均孔径也基本呈现逐渐减小的趋势;随着Fe3O4添加量从0wt%增大到4.3wt%,膜的渗透通量和截留率呈现逐渐增大的趋势。Fe3O4微粒在PAN- Fe3O4超滤膜中的分布比较均匀,膜的矫顽力与Fe3O4添加量无关,均为114 Oe;膜的剩磁随着Fe3O4添加量增大而增大;膜样品进行饱和磁化所需的最小外加磁场强度为5400 Oe。在正交磁场作用下所制得的PAN- Fe3O4超滤膜在结构与性能方面有以下规律: Fe3O4的添加使膜的皮层厚度减小,并导致膜支撑层中的微孔由规则、整齐且垂直于膜平面的排列变为不规则、倾斜于膜平面的排列。膜的孔径、表面粗糙度随Fe3O4含量的增加先减小后增大;膜的纯水渗透通量、BSA溶液的渗透通量和相对抗污染性亦是随Fe3O4含量的增加先减小后增大。膜的截留率随Fe3O4含量的增加而逐渐减小,但变化范围在2%以内。与通常的结果不同,膜的渗透性能和抗污染性能与膜的表面粗糙度无关。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 超滤的原理
• 1.2 超滤膜的分类
• 1.3 超滤膜的制备方法及影响超滤膜结构与性能的主要因素
• 1.3.1 超滤膜的制备方法
• 1.3.2 相转化过程中影响超滤膜结构与性能的主要因素
• 1.4 超滤的应用概况、存在的问题及发展趋势
• 1.4.1 超滤的应用概况
• 1.4.2 存在的问题与解决方法
• 1.4.3 超滤膜的发展趋势
• 1.5 有机/无机膜的研究进展
• 1.6 选题目的、研究意义与内容
• 1.6.1 选题目的与意义
• 1.6.2 本课题主要研究内容
• 2 实验方法及原理
• 2.1 前言
• 2.2 超滤膜微观结构的表征方法与原理
• 2.2.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.2.2 AFM 测试
• 2.3 超滤膜的性能表征方法与原理
• 2.4 其它的表征方法
• 3 聚丙烯腈/四氧化三铁超滤膜的初步研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验
• 3.2.1 材料与试剂
• 3.2.2 膜的制备
• 3.2.3 膜的纯水通量和截留率的测试
• 3.2.4 其它测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 溶剂的选择
• 3.3.2 混合溶剂体系膜性能的研究
• 3.3.3 单一溶剂体系超滤膜性能的研究
• 3.4 本章小结
• 4 聚丙烯腈/四氧化三铁超滤膜耐温、耐溶剂性能的研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 材料与试剂
• 4.2.2 膜的制备
• 4.2.3 性能测试
• 4.2.4 耐溶剂性能实验
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 红外分析
• 4.3.2 分解温度的变化
• 4.3.3 玻璃化温度
• 4.3.4 耐溶剂性能
• 4.4 本章小结
• 5 正交磁场下制备的聚丙烯腈/四氧化三铁超滤膜的结构与分离性能的研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验
• 5.2.1 材料与试剂
• 5.2.2 膜的制备
• 5.2.3 膜结构的表征方法
• 5.2.4 超滤膜分离性能测试
• 5.2.5 超滤的理论模型
• 5.3 结果与讨论
• 3O₄微粒的排列方向'>5.3.1 膜的断面结构和Fe₃O₄微粒的排列方向
• 5.3.2 膜的表面粗糙度和孔径
• 5.3.3 膜的分离性能
• 5.4 本章小结
• 6 磁场作用对聚丙烯腈/四氧化三铁超滤膜过滤猪血溶液分离性能的影响及膜污染机理的研究
• 6.1 前言
• 6.2 实验
• 6.2.1 材料与试剂
• 6.2.2 膜的制备
• 6.2.3 膜的表面结构观测
• 6.2.4 纯水通量和膜的渗透性能测试
• 6.2.5 猪血溶液的超滤实验
• 6.2.6 污染膜的形貌研究
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 膜的纯水渗透通量与对BSA 的截留率
• 6.3.2 膜磁化对猪血溶液渗透通量的影响
• 6.3.3 膜磁化对猪血溶液截留率的影响
• 6.3.4 膜的污染机理
• 6.4 本章小结
• 7 全文总结
• 7.1 结论
• 7.2 创新
• 7.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表的论文