PVDF超滤膜的制备及其成膜机理研究

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本文以聚偏氟乙烯(PVDF)为膜材料,根据Flory-Huggins高分子溶液理论和Fick传质定律,建立PVDF相转化成膜的热力学和动力学模型,确定了多元制膜体系的相图和凝胶路径,并与实验结果进行比较。考察了二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、二甲基乙酰胺(DMAc)和磷酸三乙酯(TEP)四种溶剂,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、氯化锂(LiCl)、甘油、磷酸和水等添加剂,不同凝胶浴组成和温度,以及预蒸发等因素对PVDF超滤膜结构和性能的影响,探讨了PVDF超滤膜的成膜规律。 热力学计算方面,建立了聚合物/溶剂/非溶剂三元体系和聚合物/溶剂/非溶剂/添加剂四元体系的相平衡方程,利用Matlab软件进行数值计算,得到三元和四元体系的双节线和旋节线。动力学计算方面,假设膜的形成过程是溶剂和非溶剂的反方向相互扩散过程,建模过程中考虑了由扩散导致的对流对膜厚度的影响,得出聚合物浓度在膜厚度方向分布的数学表达式,以及界面扩散通量随时间分布、膜厚度随时间变化的数学表达式。理论计算结果与实验结果吻合较好。 研究了成膜条件对膜的结构与性能的影响。PVDF浓度的增加会使膜结构更加致密。对不同溶剂而言,用DMF、DMAc和DMSO作为溶剂时,膜内部易形成指状孔,用TEP作溶剂时,则易形成网络状孔。对不同添加剂而言,LiCl和磷酸作添加剂会使膜表面变致密,PVP易于形成疏松性结构,甘油使膜内孔的连通性好,而水作添加剂时,有利于膜表面孔密度高、孔径均一。对凝胶浴而言,当凝胶浴中加入弱凝胶剂对成膜的影响与对聚膜液进行预蒸发所得到的效果类似,都会使膜形成多孔的表面,同时抑制内部指状孔的生成。另外,凝胶浴温度升高可以抑制结晶现象,并使膜表面孔径和孔密度增加。研究结果表明,当制膜液组成为78%DMAc、17%PVDF和5%甘油,以50℃纯水为凝胶浴时,制得表面致密、截面结构为指状孔,孔连通性较好的超滤膜。在0.1MPa下,水通量为83L/m~2/h,对牛血清白蛋白的截留率为92%。
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