但是,PVDF强的疏水性也是制约PVDF膜在很多领域大规模应用的主要因素,其强疏水性也会导致两个问题:一是分离过程需要较大的驱动力,试验表明,平均孔径为0.2m的PVDF微滤膜,在0.1MPa压差下的水通量为0;二是容易产生吸附污染,使膜通量和截流率两项主要分离指标下降,膜的使用寿命缩短,制约了其在生化制药、食品饮料和水体净化等水相体系中的应用[8],尤其是在油水分离、蛋白类药物分离等方面时,PVDF树脂由于表面能极低,有极强的憎水性,易产生吸附污染,使膜通量和截留率两项主要分离指标下降,降低了膜的使用寿命[9]。
1.3.2  聚偏氟乙烯(PVDF)膜的亲水化改性
由于聚偏氟乙烯(PVDF)的疏水特性,如何有效地提高PVDF膜的亲水性,减少膜污染,是众多研究者的主要目标。
亲水化改性方法主要从以下两方面着手,一是表面改性,即通过引入亲水基团来达到改性目的;二是基体改性,即对铸膜液进行亲水化处理提高膜的亲水性能[10]。
表面改性是在膜制备完成后通过表面化学处理、辐照接枝、低温等离子体改性等方法来提高膜的亲水性和抗污染能力,而不改变膜本体的结构和性质。然而,表面改性技术工艺复杂,操作较为困难,改性过程中有可能会造成膜基体机械性能的改变,存在一定的局限性。
基体改性主要分为共混改性和共聚改性两类,共混改性是指选用亲水性物质与PVDF共混来提高膜的亲水性,而共聚改性是指通过化学方法使PVDF分子链上带有亲水性基团或单体从而使膜的亲水性提高,其中以共混改性中,含少量亲水性高分子材料的PVDF共混膜与无共混组分的PVDF膜相比,接触角减小,截流率基本不变,而水通量大幅提高,膜的抗污染、耐菌性等性能增强,同时共混对PVDF膜的机械强度影响较小。过程简单,效果较好,是PVDF膜亲水化改性的常用办法。
下面介绍几种国内外复合膜的相关研究进展。
1.3.2.1  有机-有机复合膜
聚甲基苯烯酸甲酯(PMMA)与PVDF混合制成的有机-有机复合膜,不仅能改善膜的孔径分布和孔隙结构,还能在保正截留量的情况下提高膜渗透能力[11]。聚甲基丙烯酸酯(PMA)[12]、聚醋酸乙烯酯(PVAC)[13]和二醋酸纤文素(CA)[14]等作为膜的有机添加材料的研究也有相应报道。
添加有机材料虽然可以提高膜的一些性能,但是却会降低了膜强度,制约了其在改性方面的应用。
1.3.2.2  无机-有机复合膜
国内外对PVDF的无机复合改良膜做的研究较多,在膜中添加无机颗粒可以改善膜的渗透性和膜的表面特性[15],并使膜的机械强度也有所提高。
采用较多的无机粒子有纳米氧化硅( SiO2)、纳米氧化铝( Al2O3)、纳米氧化钛( TiO2)、纳米氧化锆( ZrO2)等。由于共混改性操作简便,共混膜的亲水性和抗污染能力及机械性能得到有效提高,改性效果稳定,是比较理想的改性方法。
常见的有以下几种:
(1) PVDF-Al2O3复合膜
Lu等[16]用相转移法将纳米Al2O3颗粒添加到PVDF中制得复合膜,并证明了纳米颗粒的添加明显改变了膜了表面特性和处理效果,使膜通量和抗污染性大大提高,其中当Al2O3质量分数为2%时,膜的抗拉强度和拉伸比可增加50%,抗污染性能最佳,通量衰减仅为18.2%。
Fu等[17]通过实验测得含纳米γ-Al2O3颗粒质量分数为2%的超滤膜膜,纯水通量可达到134.4 L/(m2•h),其BSA截留率可达93.4%。
Yang等[18]探究了溶解性有机碳对纳米Al2O3改良的PVDF超滤膜的污染影响,发现进水中亲水性物质对改良后膜的污染性最强,其次为过渡亲水性和疏水性物质。
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