聚醚砜超滤膜的制备及其改性研究

论文摘要

本文以聚醚砜(PES)为膜材料、二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)K3O为添加剂,纯水与DMAc混合液为凝固液,通过不同含量的聚醚砜(14%、18%、20%、22%)、不同含量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)(8%、12%、14%、16%)得到不同制膜液组成,并由浸入沉淀相转化法制备不同铸膜液组成的超滤膜。对不同组成和温度条件下制膜液的粘度、膜的厚度和膜的力学性能等物理性能进行了测试与研究。用自制超滤装置测定了膜的纯水通量和截留率,用扫描电镜观察膜的表面形态和断面结构,研究了各影响因素对膜结构性能的影响,从而得到本研究范围内最优制膜工艺,并对相转化成膜机理进行了分析。结果表明:随着聚醚砜含量的增大,膜厚度、断裂强度增大;膜的通量逐渐减少而截留率逐渐增大;膜表面结构孔隙率减少,孔径稍微变小。不同含量的聚乙烯吡咯烷酮对膜的性能结构有重要的影响,含量增大,膜的纯水通量增大,但降低了膜的截留能力。采用正交试验分析,得到本实验研究范围内最优聚醚砜制备条件:PES含量为18%,PVP含量为12%,凝固液温度为313K。同时,凝固液温度和压力增加也使膜的通量提高。为进一步提高聚醚砜超滤膜的亲水性能,提高其抗污染然性,对实验制备的聚醚砜膜进行了改性。在自制聚醚砜超滤膜的基础上,添加不同含量的纳米二氧化钛进行共混改性,寻找最佳改性条件,改变了聚醚砜膜的结构。主要考察了纳米二氧化钛的添加对聚醚砜的性能结构的影响,研究了改性前后断裂强度的变化,通过表面接触角测定仪、扫描电镜、改性膜的纯水通量和截留性能等方法来表征改性前后的结构性能变化情况。研究表明:通过测试添加不同的纳米二氧化钛含量,找出了添加5.3%的纳米二氧化钛时,改性膜的通量和截留率达到最佳状态,达到了改性的目的;改性膜的接触角和截留率的测定表明,截留率基本变化不大,接触角变小,润湿性有所增强;在本实验中,改性膜的粘度比未改性膜的粘度小,且在添加纳米二氧化钛后,粘度随着纳米二氧化钛的含量增加而增大。通过上述工艺制备的聚醚砜超滤膜,用于污水处理厂生活污水和工业废水的处理。本实验以松江新城污水处理厂曝气池的污水为实验用水。考察了改性前后的渗透通量,研究了超滤膜在去除废水中COD、浊度、色度等方面的性能。实验结果表面:渗透通量随运行时间而逐渐变小,但经过改性的膜通量减少幅度稍小;不同压力下的渗透通量也不同,压力增大的膜的渗透通量也增大,通过运行比较,选择了0.2Mpa为工作压力;超滤膜对COD的去除率为80%以上,浊度的去除率为98%以上,对色度的去除为70%以上。从两种膜运行通量和恢复效果看,改性膜在污泥运行中通量高于未改膜的通量,改性膜清洗后恢复率达到85.31%以上,而未改性膜的恢复率则为68.08%,抗污染性能改性膜明显好于为改性膜。为了更好的了解膜的运行情况,本文进一步从膜污染阻力方面进行了较为具体的分析,考察了活性污泥在膜生物反应器中过滤时两种不同膜阻力及各部分阻力所占比例,具体考察了膜过滤过程中,膜阻力的主要来源、组成及不同膜的阻力变化,具体分析了膜过滤过程中膜阻力的变化特性,膜过滤的短期运行和长期运行时膜阻力及各部分阻力所占比例的变化情况,分析了可能出现这些现象的原因,给予了适当的解释。本研究为聚醚砜膜最终成膜工艺优化和膜性能的改进及提高提供了参考依据,为聚醚砜在生活污水和工业废水中的应用提供了参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 膜分离技术
• 1.2.1 膜的定义
• 1.2.2 膜分离的概念
• 1.2.3 膜分离的基本机理
• 1.2.4 膜的性能表征
• 1.2.5 膜分离材料的分类
• 1.2.6 膜分离的优点
• 1.2.7 聚醚砜膜材料的介绍
• 1.3 超滤膜的性质
• 1.3.1 超滤定义
• 1.3.2 超滤的分离理论
• 1.3.3 超滤膜常用结构形态
• 1.4 膜生物反应器工艺技术
• 1.4.1 膜生物反应器的分类
• 1.4.2 膜生物反应器的特点
• 1.5 膜常用的改性方法
• 1.5.1 对膜改性材料开发的意义
• 1.5.2 膜的基体改性
• 1.5.3 膜的表面改性
• 1.6 膜污染及其防治
• 1.6.1 膜污染机理分析
• 1.6.2 膜污染的防治
• 1.7 本论文的研究意义、内容及方法
• 1.7.1 课题研究的意义
• 1.7.2 研究内容
• 1.7.3 研究方法
• 1.7.4 难点及存在的问题
• 第二章 聚醚砜超滤膜的制备及其性能研究
• 2.1 前言
• 2.1.1 浸入沉淀相转换法成膜机理
• 2.1.2 膜孔结构的控制
• 2.2 实验药品及仪器
• 2.2.1 实验药品及规格
• 2.2.2 实验仪器
• 2.3 实验方法及性能评价
• 2.3.1 聚醚砜超滤膜的制备
• 2.3.2 膜厚度的测定
• 2.3.3 膜的断裂强度及伸长率的测定
• 2.3.4 粘度的测定
• 2.3.5 接触角的测定
• 2.3.6 膜的纯水通量及截留率的测定
• 2.3.7 聚醚砜超滤膜结构的观察
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 膜厚度的测定分析
• 2.4.2 聚醚砜含量对膜拉伸断裂形变分析
• 2.4.3 不同含量的 PVP 对制膜液粘度的影响
• 2.4.4 接触角的测定
• 2.4.5 PES 浓度、PVP 浓度及其操作条件对膜结构和性能的影响
• 2.4.6 聚醚砜膜表面与断面的微观分析
• 2.6 制备工艺条件的正交试验分析
• 2.6.1 对纯水通量的影响
• 2.6.2 对截留率的影响
• 2.7 成膜机理分析
• 2.8 本章小结
• 2对聚醚砜超滤膜的共混改性'>第三章 纳米 TiO₂对聚醚砜超滤膜的共混改性
• 3.1 前言
• 3.2 聚合物共混的理论基础
• 3.2.1 聚合物共混的基本概念
• 3.2.2 聚合物共混的影响因素
• 3.3 实验药品及仪器
• 3.3.1 实验药品
• 3.3.2 实验主要仪器
• 3.4 实验方法
• 3.4.1 聚醚砜超滤膜的制备
• 3.4.2 改性膜的制备
• 3.4.3 改性后膜的性能测定
• 3.4.4 接触角的测定
• 3.4.5 粘度的测定
• 3.4.6 表面形态分析
• 3.5 结果与讨论
• 3.5.1 纯水通量和截留率的测定
• 3.5.2 改性前后水接触角的变化
• 3.5.3 改性前后铸膜液粘度的变化
• 3.5.6 改性前后膜表面与断面形态的分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 改性聚醚砜超滤膜实际应用及膜污染研究
• 4.1 前言
• 4.1.1 超滤过程
• 4.1.2 超滤膜的污染
• 4.1.3 浓差极化及凝胶极化模型
• 4.1.4 膜污染对超滤过程的影响
• 4.2 实验药品及仪器
• 4.2.1 实验药品及规格
• 4.2.2 实验主要仪器
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 聚醚砜膜的制备及其共混改性
• 4.3.2 膜通量测定
• 4.3.3 溶质的截留率
• 4.3.4 吸光度的测定
• 4.3.5 浊度分析
• 4.3.6 水质分析法
• 4.4 实验结果与讨论
• 4.4.1 改性前后膜运行活性污泥通量变化情况
• 4.4.2 聚醚砜超滤膜改性前后废水处理效果
• 4.4.3 膜污染性能测试
• 4.4.4 膜污染仪器分析
• 4.5 超滤膜的清洗
• 4.6 本章小结
• 第五章 膜污染阻力分析
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 实验装置及其材料
• 5.1.2 实验方法
• 5.1.3 阻力分解计算方法
• 5.2 膜过滤阻力分析
• 5.2.1 膜通量及阻力的变化
• 5.2.2 短期运行膜阻力分解
• 5.2.3 长期运行膜阻力分解
• 5.3 本章小结
• 第六章 研究总结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 致谢