聚丙烯酸/聚偏氟乙烯共混膜的制备及Cu（II）离子的吸附性能

论文摘要

聚偏氟乙烯（PVDF）是一种性能优良的膜材料,但其表面能低、具有较强的憎水性、易被污染、通量下降快,限制了PVDF膜在生化、环境和净水等领域的应用。本研究提出了采用丙烯酸共混改性的方法改善PVDF膜的亲水性,同时实现了其对水溶性重金属离子的吸附去除。本研究探讨了膜铸液中各共混组分对共混膜性能的影响,通过正交实验工艺优化,确定了膜铸液组成。采用DSC、TG、FTIR、XPS、XRD、SEM等实验手段开展了聚丙烯酸/聚偏氟乙烯（PAA/PVDF）共混膜的分析和表征,通过对比实验研究了共混膜亲水性能的改善和抗污染性能的提高,并分析了共混膜对Cu（II）离子交换吸附过程的热力学和动力学特性,探讨了pH值、接触时间、金属离子浓度、温度等因素对共混膜吸附性能的影响,并开展了PAA/PVDF共混膜再生利用性能的研究。工艺优化结果表明制备PAA/PVDF共混膜较佳的铸液组成为:PVDF 120g/L、丙烯酸（AA）100mL/L、丙烯酰胺（AM）10g/L、过氧化苯甲酰（BPO）6g/L,所制得的共混膜吸水率为295%,强度为102.83g/cm2,Cu（II）离子吸附量为2.564×10-2mg/cm2。实验结果表明,共混改性有效改善了PVDF膜的亲水性。FTIR、XPS测试结果表明羧酸官能基团被成功共混到PVDF分离膜中,XRD研究表明PAA/PVDF共混膜仍具有PVDF膜的晶体结构,TG-DSC结果说明共混膜仍保持了良好的热稳定性能。PAA/PVDF共混膜具有较好的Cu（II）离子交换吸附性能,其对Cu（II）离子的等温吸附过程的实验数据较好的符合Langmuir等温吸附模型,D-R等温吸附表明该吸附过程为离子交换反应。其动力学符合准二级动力学反应方程,化学吸附是该过程的速度控制步骤。吸附过程的热力学参数ΔG0<0、ΔH0>0、ΔS0>0,表明了该共混膜对Cu（II）离子的吸附为自发的吸热过程。吸附/脱附实验表明了PAA/PVDF共混膜具有优良的再生利用性能,是污泥、污水中重金属离子去除的理想吸附材料之一,该研究对于重金属污染物的处理和回收利用具有实际意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 膜分离技术的概述
• 1.1.1 膜分离技术的概念及特点
• 1.1.2 膜分离技术的发展历程
• 1.1.3 膜分离技术的研究现状和前景
• 1.2 课题背景与研究意义
• 1.2.1 微滤膜技术概述
• 1.2.2 课题的研究意义
• 1.3 文献综述
• 1.3.1 抗污染分离膜材料改性的研究
• 1.3.2 重金属的去除
• 1.4 课题的主要内容
• 第2章 PAA/PVDF 共混微滤膜制备与表征
• 2.1 聚合共混材料及聚合共混
• 2.1.1 聚合共混材料的选择
• 2.1.2 聚合共混的基本理论
• 2.1.3 丙烯酸、丙烯酰胺共聚反应机理
• 2.1.4 丙烯酸、丙烯酰胺共聚物与聚偏氟乙烯的共混
• 2.1.5 PAA/PVDF 共混膜的亲水性机理
• 2.1.6 PAA/PVDF 共混膜吸附重金属离子的机理
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验材料与设备
• 2.2.2 实验及测试方法
• 2.2.3 共混膜的表征
• 2.2.4 化学稳定性
• 2.2.5 抗污染性能测试
• 2.3 共混制膜液组成的确定
• 2.3.1 正交实验表的设计
• 2.3.2 实验方案及结果计算分析
• 2.3.3 因子对指标影响权重分析
• 2.3.4 因子水平分析及因子最佳组合
• 2.3.5 最佳因子组合和最佳因子组合验证
• 2.4 膜性能评价和表征结果与分析
• 2.4.1 PAA/PVDF 共混改性膜的性能评价
• 2.4.2 PVDF 共混改性膜热分析
• 2.4.3 PVDF 共混改性膜X 射线衍射分析（XRD）
• 2.4.4 傅立叶红外光谱分析（FTIR）
• 2.4.5 X 衍射光电子能谱分析（XPS）
• 2.5 PVDF 共混改性膜的抗污染性
• 2.5.1 膜的阻力
• 2.5.2 膜的阻力增大系数k
• 2.5.3 膜的抗污染性能
• 2.6 本章小结
• 第3章 PAA/PVDF 共混膜对Cu（II）离子吸附性能
• 3.1 实验材料和仪器
• 3.2 实验及实验方法
• 3.2.1 金属离子溶液的配制
• 3.2.2 PAA/PVDF 共混膜吸附Cu（II）离子的实验
• 3.2.3 PAA/PVDF 共混膜的脱附再生
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 离子交换容量（QT）和零电荷点（pHpzc）
• 3.3.2 pH 值对吸附性能的影响
• 3.3.3 温度对吸附性能的影响
• 3.3.4 接触时间对吸附性能的影响和吸附动力学
• 3.3.5 初始浓度对吸附效果的影响和吸附等温线
• 3.3.6 吸附热力学
• 3.3.7 共混膜的再生
• 3.4 本章小结
• 结论
• 附录1
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介