氧化石墨烯(GO)与Zr基MOF材料(UiO-66)对PVDF超滤膜改性及复合膜性能研究

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聚偏氟乙烯(PVDF)是一种常用的高分子膜材料,但是由于PVDF膜具有强疏水性,这就容易造成运行过程中的膜污染,因而成为其在水处理等领域扩展规模的桎梏。因此,有必要改善PVDF膜的亲水性以提高PVDF膜的抗污染性。本文采用不同的亲水材料(GO,UiO-66,GO@UiO-66复合材料)制备了PVDF复合超滤膜,并探究所选的材料对PVDF复合膜结构和性能的影响,具体如下:(1)采用溶剂热法制备八面体结构的UiO-66和“三明治状”结构的GO@UiO-66纳米颗粒,改良的Hummers方法制备得到片层结构的GO纳米颗粒,采用XRD和FTIR系统地分析了它们的物理和化学结构,结果表明三种纳米材料均成功制备。(2)采用浸没沉淀相转化法(NIPS)制备了三种PVDF复合超滤膜,分别是:PVDF/GO、PVDF/UiO-66和PVDF/GO@UiO-66复合超滤膜,使用XRD、FTIR、SEM、XPS、AFM、接触角测量仪等表征手段对PVDF复合超滤膜的晶体结构、微观形貌、分子结构、孔隙率、亲水性和平均孔径进行表征,实验的结果表明纳米材料成功复合在PVDF膜中,加入纳米材料后PVDF复合超滤膜由α相向-β相转变、孔隙率提高、亲水性提高。(3)PVDF复合超滤膜在GO、UiO-66和GO@UiO-66含量均为1.0 wt%时,膜的水通量分别达到了194.1L/m2/h、182.2L/m2/h和263.2L/m2/h,与纯PVDF膜相比,水通量分别提高了35%、28%和84%,BSA截留率提高了19%、20%和32%;水接触角由78.5°分别降低到64.6°、68.3°和58.3°;由于纳米材料在相转化过程中上浮,膜表面粗糙度由21.5nm分别上升到34.5nm、27.2nm和59.7nm;膜的通量恢复率分别达到71.8%、64.3%和81.8%,抗污染能力得到了很大的改善;拉伸强度提高由1.8MPa提高到2.5MPa、2.2MPa和3.1MPa。(4)比较PVDF/GO、PVDF/UiO-66和PVDF/GO@UiO-66后发现:“三明治状”GO@UiO-66纳米材料增加膜的孔隙率,打开了水分子的渗透通道,同时,GO@UiO-66暴露的亲水官能团增多,使得PVDF/GO@UiO-66具有更高的亲水性,在膜表面形成致密的水化层,从而提高了对不同分子量大小的污染物如牛血清蛋白(BSA)、腐殖酸(HA)和罗丹明(Rh B)的截留率并且有更好的抗污染性能。此外,PVDF/GO@UiO-66复合超滤膜拥有最好的机械强度和化学稳定性。总体结果表明:加入GO@UiO-66可显著提高膜的性能,具有很大的实际应用潜力。
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