添加剂对PVDF平板超滤膜性能和结构的影响_王旭东

随着超滤膜分离技术应用领域的日益扩大，对超滤膜的结构和性能的要求越来越高。聚偏氟乙烯（PVDF）是一种性能优良的结晶性聚合物，非常适用于超滤膜的制备[1]，科技工作者们针对PVDF多孔膜的制备开展了大量的研究[2-4]。研究主要集中在选择合适的制膜方法，探讨各制膜因素对膜性能和结构的影响、确定制膜液组成等来制备性能优良的超滤膜。对于浸没沉淀相转化法来说，膜性能和结构是在热力学因素和动力学因素共同影响下形成的[5]，其影响因素主要包括溶剂种类、添加剂种类、聚合物浓度、添加剂浓度、蒸发时间、凝胶浴组成等[6]。以往研究发现[7]，不同添加剂对膜性能影响的机理不同，如高分子添加剂会影响溶剂的溶解能力，改变制膜液中聚合物的溶解状态，从而改善非溶剂在液态膜中的传质，加快膜的凝胶沉淀速度，造成瞬时分相，在膜形成过程中有助于成孔；而无机小分子添加剂则因其中含有的金属离子与膜材料之间发生离子偶极作用，使得聚合物材料在凝胶时能够获得更多的结合水，从而形成更多的网络孔[8]。本文运用正交试验设计原理，采用L9（34）正交表，选择与PVDF有很好相容性的二甲基甲酰胺（DMF）、N-甲基砒咯烷酮（NMP）、二甲基乙酰胺（DMAC）为溶剂[9-10]，在不同PVDF含量和添加剂含量条件下，考察致孔效果不同的LiCl和H3PO4对膜平均孔径、孔隙率等结构参数的影响，进而探讨不同因素水平对膜性能和结构的影响规律，通过综合评分法优化得出不同指标下的最佳制膜液组成。1试验部分1.1试验材料、试剂及仪器聚偏氟乙烯（PVDF）；二甲基乙酰胺（DMAC）；N-甲基砒咯烷酮（NMP）；二甲基甲酰胺（DMF）；聚乙烯砒咯烷酮（PVP），分子质量30000；无水氯化锂（LiCl）；牛血清白蛋白（BSA），分子质量67000。HJ-6A多头磁力搅拌器，制膜装置（自制），SCM杯式超滤系统，紫外-可见分光光度计UV-7500，场发射扫描电子显微镜（JSM-6700F）。1.2超滤膜的制备将干燥的PVDF与添加剂按比例在70～80℃下搅拌使之完全溶解，静置脱泡，然后在玻璃板上刮膜，并立即放入25℃的蒸馏水凝胶浴中成膜，每隔2h添加剂对PVDF平板超滤膜性能和结构的影响王旭东，满丽，王磊，张立卿，孙婷（西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安710055）摘要：分别以无水氯化锂（LiCl）、磷酸（H3PO4）为添加剂，采用正交试验设计方法优化PVDF平板超滤膜制备条件。以去离子水为凝胶浴，考察了聚合物浓度、溶剂种类、添加剂含量对超滤膜平均孔径、孔隙率等膜结构特征及膜纯水通量、BSA截留率的影响。结果表明，对于LiCl体系，影响膜孔隙率的制膜条件是：LiCl浓度>溶剂种类>PVDF浓度，制膜液组成为12%PVDF/DMAC/5%LiCl时孔隙率最高，达到86.42%；对于H3PO4体系，影响膜孔隙率的制膜条件是：溶剂种类>H3PO4浓度>PVDF浓度，制膜液组成为15%PVDF/NMP/5%H3PO4时孔隙率最高，达到85.86%；对于LiCl和H3PO4体系，影响膜孔径的因素均为：PVDF浓度>溶剂种类>添加剂浓度，最大孔径下的最佳制膜液组成为12%PVDF/NMP/3%添加剂。研究得出LiCl体系和H3PO4体系的最佳组合分别为18%PVDF/NMP/3%LiCl和15%PVDF/NMP/5%H3PO4。关键词：PVDF；超滤；膜；添加剂；膜性能；正交设计中图分类号：TQ028.8文献标识码：A文章编号：1000-3770(2010)03-0033-005收稿日期：2009-06-12基金项目：国家基础研究发展计划（973）前期研究专项（2008CB417211）；国家科技部水体污染控制与治理科技重大专项（2009ZX07212-002-004）；陕西省自然科学基金项目（SJ08-ZT07）；西安建筑科技大学青年科技基金项目（QN0812）作者简介：王旭东（1979－），男，博士，副教授，研究方向为膜法水处理理论与技术联系电话：13359243197；E-mail：xudongw7904@163.com第36卷第3期2010年3月水处理技术TECHNOLOGYOFWATERTREATMENTVol.36No.3Mar.,201033DOI:10.16796/j.cnki.1000-3770.2010.03.007指标极差J/L·m-2·h-1R/%ε/%rp/nmR1R2R3R4H3PO41288.1314.918.5567.281450.8457.035.8683.3596.9518.2720.9315.8891.5347.387.9317.2747.4516.8119.1611.28ABABCLiCl1016.9417.9616.3129.53C表2正交试验极差分析结果