改性聚丙烯纤维膜的制备及其对药物污染物的吸附

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药物污染物(PhCs)作为一类新兴的有机污染物,虽然在水环境中的浓度很低,但它们会在动物和人体内富集造成急性或慢性毒害,因此近年来越来越多的技术应用于PhCs的有效去除。目前吸附法以其成本低、操作简单等优点,被认为是最有效的PhCs去除方法。其中,吸附膜与传统的粉末/颗粒状吸附剂相比,具有自支撑、后处理方便、易再生、可轻松实现动态流穿吸附等优势。但由于吸附膜研发起步较晚,目前仍存在一些问题,例如通量小、亲和力弱造成处理效率低。另外,通过氢键、静电吸引等非共价键固定在膜表面的吸附功能单元存在易脱落的风险。目前鲜有兼具良好吸附与抗污性能的膜材料的研究报道,导致吸附膜在天然水环境中尚难长时间运行。为此,本论文以商业化聚丙烯纤维膜(PPM)为基材,选择安全、无毒的N-乙烯基甲酰胺(NVF)以及两亲性的聚乙二醇二缩水甘油醚(DEPEG)为功能化合物,通过三步改性法制备出具有亲水表面和疏水基底的吸附膜(NVFM-H-PEG),用于清除水中PhCs。论文主要包括以下内容:1.将PNVF接枝在PPM表面,而后将膜表面的PNVF接枝链部分水解并与DEPEG偶联,成功制备了NVFM-H-PEG。所得NVFM-H-PEG具有优异的水渗透性和超高的水通量,水接触角仅18.4±1.2°,压降为1 k Pa时单层膜的水通量高达45000 L/(m~2h),水通量达到PPM基膜的9倍。NVFM-H-PEG具有良好的抗污性能,经牛血清白蛋白(BSA,污损模拟物)水溶液后,通量恢复率(FRR)达到91.6%。吸附实验表明,PNVF接枝率为32%、PNVF接枝链水解度为40%、DEPEG偶联量为57±2 mg/g时,改性膜兼具良好的水通量、抗污性能和对污染物的吸附性能。2.以布洛芬(IBU)为代表性PhCs,探究了NVFM-H-PEG对IBU吸附过程的影响因素。结果表明:最佳吸附酸碱度为p H 5;水相温度在5-45℃范围内,升温有利于吸附;NVFM-H-PEG对IBU的吸附符合拟二级动力学模型和Langmuir等温线模型,在45℃时的吸附容量高达81.6 mg/g。NVFM-H-PEG对多种PhCs具有广谱吸附性能,吸附容量明显优于市售PES、PA、PTFE膜。NVFM-H-PEG对水中痕量IBU(10μg/L)去除率仍可达到80%以上。NVFM-H-PEG具有优异的再生循环性能,20次吸附/解吸循环对IBU的去除率几乎保持不变。3.研究了PhCs在改性膜上的吸附和解吸机理。制备了一系列亲水基材改性膜和带负电的改性膜,通过对比不同膜对PhCs吸附行为,结合电导率滴定实验,揭示了吸附驱动力是疏水相互作用和静电作用的协同。基于协同机制,采用不同电荷特性吸附膜叠加的方法,实现了对水中多种混合污染物的高效去除。4.研究了NVFM-H-PEG在天然水环境下对PhCs的清除性能和循环性能。NVFM-H-PEG对用天然河水配置的IBU模拟污水中的IBU表观去除效率达95%以上,而且经10次吸附/洗脱循环后,去除率几乎无衰减,显示该吸附膜优异的抗污阻垢特性。通过带正电膜和带负电膜的堆叠对河水中五种混合PhCs的去除效率高达90%以上。
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