近年来,水资源的日益紧缺和高质量饮用水的需求使废水循环利用吸引了越来越多的目光。针对传统的生物废水处理过程中一直难以解决的固液分离问题,膜生物反应器(MBR)技术成为该问题最有效的解决方法之一。MBR技术的应用可以广义地定义为将废水的生物降解与膜过滤相结合的系统。事实证明,它们可以有效去除有机和无机污染物以及微生物,因而MBR受到越来越多的关注。然而,膜污染问题是MBR领域的最大瓶颈,限制了该技术的发展。因此,深入地了解膜污染的机制以及寻求有效的改性措施以减轻膜污染是该研究的热点方向。本文尝试了改性提高膜抗污染性的研究。以亲水性丙烯酸羟乙酯(HEA)为单体通过辐射接枝法对疏水性聚偏氟乙烯(PVDF)膜进行改性。对改性膜进行一系列性能表征,并基于分形理论和扩展的Derjaguin-Landau-verwey-overbeek(XDLVO)理论对抗污染性能进行热力学分析加以证明。接着借助一个实验室规模的浸没式MBR系统考察了在分形理论结合XDLVO理论研究膜污染过程中分形粗糙度(G)和随机相(φm,n)对界面相互作用的影响。主要研究结果如下:(1)用亲水性HEA单体接枝改性后的膜表现出增强的亲水性、含水率,沉降能力和润湿性。有趣的是,过滤测试发现在酸性范围内接枝膜的水通量对溶液pH有明显的敏感性。原子力显微镜(AFM)分析提供了随着溶液pH的变化接枝膜表面孔径随之减小的证明。这由于随着pH的增加化学势变化引起接枝链基质的溶胀造成的膜表面孔径减小。同时发现接枝膜比对照膜具有明显降低的通量下降率。此外,接枝膜对于牛血清白蛋白溶液(BSA)的通量明显大于纯水通量。这是由于接枝的聚合物链发生溶胀时双电层压缩作用所导致的。(2)结合了分形理论和XDLVO理论探讨了对照膜和接枝膜分别在光滑膜-光滑颗粒和分形膜-光滑颗粒两个情景下的界面相互作用,进一步从热力学角度验证了接枝膜具有更高的抗污染性能。这项研究不仅提供了一种对pH敏感的PVDF膜的应用,也提出了提高接枝膜的性能的新的机制。(3)通过功率谱法分析AFM图像得到模拟真实表面需要的参数。根据与分形理论有关的双变量Weierstrass-Mandelbrot(WM)函数,我们可以构建出与真实膜表面近似的膜表面,并比较两者的形貌和表面粗糙度值,结果表示该方法是可行的。(4)基于XDLVO理论计算出污泥颗粒和膜表面之间的界面相互作用。同时结合表面元素积分法(SEI)和复合Simpson法则简化繁琐的计算公式,实现高效的计算过程。系统地评估了光滑膜-光滑颗粒和分型膜-光滑颗粒两种情景下的界面相互作用(包括酸碱作用力,范德华力和静电双层作用力)。(5)分形粗糙度是分形表面最重要的属性之一。在这项研究中,发现随机粗糙的膜表面是分形表面,其可以通过优化的双变量WM函数进行数学模拟。膜表面的分形粗糙度与模拟表面的统计粗糙度值之间有明显的函数关系。界面相互作用的评估表明膜表面分形粗糙度的增加会增强并延长膜和污染物之间的界面相互作用,并在这项研究的条件下,将显著增加污泥颗粒在膜表面上的粘附倾向。这个有趣的结果可以归因于分形粗糙度的增加同时改善了分离距离和污泥颗粒粘附的作用表面积。(6)随机相作为分形几何中重要的参数,在模拟分形表面的过程中起到举足轻重的作用。本文探究了随机相对膜表面形态和界面相互作用的影响。研究过程中发现随机相的改变会对膜表面形貌有显著的影响,同时随机数在一定范围内模拟表面的粗糙度值也会在较小范围内波动变化。此外,界面作用力的结果表明随机数在一定倍数内,界面作用会随之减小。本文在热力学的背景下,研究了分形粗糙度和随机相两个参数对界面相互作用和膜污染的影响,为MBR中膜污染的控制提供了参考。