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        PTFE膜的亲水改性及在工业污水处理中的应用 合肥污水处理公司

        文章出处:未知发表时间:2022-01-11 13:34:19


         

        图片2 

         

          聚四氟乙烯(PTFE)是一种性能优良的工程塑料,被称为塑料王PTFE是白色结晶性聚合物,结晶完善的PTFE结晶度可高达90%~95%。由于PTFE分子链中C—F具有高键能且F原子严密盘绕在C—C主链的外表,造成PTFE具有高化学惰性和极低的外表能。因而PTFE具有耐有机溶剂、耐强酸碱、耐高温等性能。

         

          由PTFE树脂资料所制备的PTFE膜因其化学性能稳定、耐温、耐腐蚀等特性被普遍应用在农业、工业、医疗卫生、食品等范畴。但是,由于PTFE资料具有强疏水性和极低的外表能,使得PTFE膜润湿性差,难以处置水性溶液,限制了其应用过程和范畴。因而为进一步拓宽其应用范围,必需对PTFE实行亲水化改性。

         

          一、PTFE膜亲水性差的缘由

         

          PTFE膜亲水性差的缘由主要与资料本身的特性亲密相关。

         

          (1)PTFE资料是以C原子链为骨架,CF

         

          原子经过C—F共价键衔接构成的高分子资料。其中,C—F键能大,远高于C—H键能。同时由于PTFEF原子电负性大,并且PTFE分子构造对称性好,因而PTFE具有较低的外表能;

         

          (2)液体能在固体外表完整铺展和润湿的条件为固体的临界外表张力要大于液体的外表张力。由于PTFE资料外表张力低,造成其低于大多数液体的外表张力,进而液体不能在PTFE资料外表完整润湿;

         

          (3)PTFE资料的溶度参数较小,造成PTFE资料与大局部聚合物的亲和性也较小,与其他资料的黏附性较差。

         

          二、常用的亲水改性办法

         

          目前常用的PTFE膜亲水化改性办法主要有钠-萘溶液处置法、等离子体接枝法、多巴胺改性法、外表活性剂改性法、填充改性法等,下面分别对这些改性办法实行简述。

         

          2.1 -萘溶液处置法

         

          钠-萘溶液是以四氢呋喃为溶剂,经过金属钠和萘的反响制备。通常而言,钠-萘溶液对PTFE实行亲水改性主要是经过强腐蚀性的钠-萘溶液腐蚀PTFE膜外表。郑军等应用钠-萘溶液对PTFE薄膜实行改性,并对改性后薄膜的亲水性和黏结性实行了测试,经过钠-萘溶液处置后,膜外表呈现了一层粗糙且疏松的处置层。实验结果标明,处置后膜亲水性和黏结性得到明显的改善,钠-萘处置液的最佳处置浓度为0.4mol/L。此外,钠-萘溶液对PTFE实行外表腐蚀后,可以毁坏C—F得到活性位点,此时在PTFE膜外表产生了碳化层和某些极性基团,能够经过选择适宜的亲水化试剂与活性位点反响实行化学接枝,进一步提升外表亲水性或其他性能。

         

          钠-萘溶液处置PTFE膜具有操作工艺烦琐,效果良好等优点,是目前应用较多的办法。但是该办法会对PTFE膜外表形貌实行毁坏,并且处置后的膜外表发黑,除此之外,强腐蚀性的钠-萘溶液在运用过程中存在着平安隐患。因而该办法比拟合适于实行PTFE膜组件浇铸时运用。

         

          2.2 等离子体接枝法

         

          等离子体处置是将被处置资料置于等离子体处置设备中,经过高能态的等离子体轰击资料外表,使资料外表的分子由于遭到等离子体能量的影响,进而发作降解、氧化、交联等一系列化学反响。关于PTFE膜而言,等离子体接枝法是以等离子体轰击PTFE膜外表,使PTFE膜外表的C—CC—F发作断裂,进而在PTFE膜外表产生大量的活性自在基,再在这些活性位点上实行亲水化接枝改性。张浩凡等首先采用不同的亲水基团对PTFE中空纤维膜实行浸渍预处置,然后经过等离子体法对PTFE中空纤维膜实行外表亲水改性。结果标明,改性后PTFE中空纤维膜接触角显著降落,其中羧基对PTFE中空纤维膜改性效果最好,接触角为52°。周明等应用Ar等离子体对PTFE中空纤维膜外表实行预处置,然后在膜外表实行丙烯酸接枝反响。研讨标明,当放电功率为300WAr气体流量为30cm3/min,处置时间2min,接枝反响所用丙烯酸的体积分数为20%,反响温度50℃,反响时间8h,改性效果最好,PTFE中空纤维膜外表接触角可降至50°。改性反响后PTFE中空纤维膜外表亲水基团明显增加,外表能提升,从而亲水性能也明显上升。

         

          该办法操作简单、平安环保,对资料自身性能影响小,接枝后的亲水基团与膜外表经过化学键分离,改性效果耐久且稳定。不过等离子接枝过程只发作在膜的表面面,而膜的内壁仍然是疏水的状态。

         

          2.3 多巴胺改性法

         

          多巴胺作为一种常见的生物胶水,可以在碱性条件下自发聚合,构成的聚多巴胺具有能黏附于各类资料外表、适用范围广以及易于功用化等优点,被普遍用作膜外表改性剂。聚多巴胺在基材外表的堆积通常包括多巴胺氧化、自聚以及汇集体构成3个过程,其与带极性基团的有机外表以氢键以至共价键衔接为主,与非极性外表的吸附机理尚不明白,通常以为由π-π和疏水互相作用主导。XiZhen-Yu等在PTFE微孔膜外表堆积聚多巴胺层,显著改善了疏水聚合物膜外表的亲水性,并在恰当的反响条件下提升了膜水通量。SooKHeeKu等采用聚多巴胺自聚-复合法改性PTFE,使资料外表对成骨细胞的相容性明显提升。程毅丽等经过多巴胺的自聚附着行为,对PTFE中空纤维膜实行改性,降低了接触角,提升了纯水通量,并且改性后膜孔径变化较小。实验结果标明,多巴胺对PTFE膜亲水改性的最佳时间为8h,改性后膜水通量较改性前上升约50%,亲水改性后PTFE膜抗污染性能提升,纯水清洗后,膜通量恢复率为94%。从上述文献中可知,多巴胺能够在PTFE膜外表发作氧化G交联反响,生成可吸附于PTFE膜的聚多巴胺复合层,从而提升PTFE膜外表亲水性。

         

          2.4 外表活性剂法

         

          郭晓蓓等应用氟碳外表活性剂,以二氯甲烷为溶剂对PTFE中空纤维膜实行亲水改性。氟碳外表活性剂具有耐酸碱的特性且自身具有亲水和疏水基团,疏水基团易吸附在PTFE膜外表,亲水基团露在外面。同时由于氟碳外表的正电荷和PTFE膜外表的负电荷互相吸收,外表活性剂能够吸附在PTFE膜外表,从而将亲水基团引入。作者研讨了外表活性剂浓度及组装时间对中空纤维膜亲水性能的影响,结果标明亲水改性的最佳条件为ρ(氟碳外表活性剂)=3g/L,组装浸泡时间4h,改性后膜外表接触角明显降低,水通量增加。元福卿等采用支链化阳离子外表活性剂和两性离子外表活性剂分别对PTFE资料实行了改性,研讨结果标明,外表活性剂的疏水局部能够与PTFE资料产生互相作用,进而外表活性剂分子能够吸附到PTFE资料外表。当外表活性剂浓度大于临界胶束浓度(CMC)时,可明显降低PTFE资料外表接触角,可润湿性能提升。胡嵩霜等采用苄基取代甜菜碱对PTFE资料实行了改性,当外表活性剂浓度超越CMC时,接触角明显降低,外表亲水性增加。

         

          2.5 填充改性法

         

          黎鹏等针对PTFE膜改性时所采用的化学办法和物理办法存在的问题,提出一种新的物理G化学改性思绪,即在PTFE膜制备前将无机纳米二氧化硅粒子与PTFE粉料实行混合,制备含有大量无机纳米粒子嵌入节点的PTFE微孔膜。以嵌入的纳米粒子为地基,经过偶联剂作用,在膜外表引入羟基,改性后膜外表接触角显著降低,进而明显提升PTFE膜的亲水性能,同时由于偶联剂的作用,该亲水改性层具有较强的稳定性。

         

          郭玉海等将亲水性聚合物经过偶联剂的作用,构成亲水性资料,然后将亲水性资料与PTFE粉料实行混合,最后经过挤出、拉伸、烧结等工艺制备亲水性PTFE微孔膜。研讨标明,制备的PTFE微孔膜亲水性提升,水通量显著增加。

         

          三、PTFE亲水膜的应用

         

          当前,别离膜在环保行业中得到越来越普遍的应用,是处理水污染问题的重要方式之一。PTFE膜具有耐高温、耐腐蚀、性能稳定等特性,因而在别离膜资料中占领重要的位置。目前,许多专家学者经过不同的改性办法对PTFE实行亲水改性,并用于实践工程中,获得了一定的成果。

         

          3.1 污水处置

         

          郭晓蓓等将亲水改性后的PTFE中空纤维膜做成膜组件,并用自建污水处置设备实行生活垃圾填埋场污水处置。测试结果标明,亲水改性后的PTFE中空纤维膜对生活垃圾填埋场污水处置效果高于国度规范的请求,应用效果良好,COD去除率到达84.2%,氨氮去除率到达94.4%,悬浮物去除率到达99.0%

         

          梅德俊将醋酸乙烯酯G马来酸酐共聚物实行充沛醇解后,制备得到亲水剂,然后将亲水剂平均涂覆在PTFE平板膜外表,使PTFE平板膜外表由疏水变为亲水,并用于陶瓷切割工业污水处。实验结果标明,陶瓷切割污水经过PTFE亲水膜处置后,浊度由初始的3280NTU降为48NTU,去除率高达98.5%

         

          3.2 膜蒸馏

         

          在膜蒸馏过程中,膜污染与润湿是经常呈现的问题。研讨标明疏水膜外表的亲水改性有利于减缓有机污染物在膜外表的黏附累积。任静等制备了氧化石墨烯(GO)GPTFE复合膜,膜外表接触角由144.2°降到103.9°。将GOGPTFE复合膜用于膜蒸馏过程发现,复合膜能有效提升膜通量并减缓通量衰减,这可能是由于GO层间构成的亲水通道降低了水蒸气穿透膜的阻力,同时GO良好的导热性能也有利于缓解由于温差极化带来的通量衰减,同时复合膜对焦化废水中的无机盐和有机物的截留效率明显提升,这与石墨烯构成的纳米孔道对污染物的截留效应有关。

         

          3.3 膜生物反响器

         

          膜生物反响器(MBR)应用膜的别离作用对水/污泥混合物实行别离,其中膜组件是膜生物反响器的中心。在膜生物反响器运转过程中,经常会呈现膜丝断裂、运用时间短,不耐酸碱等问题。因而,越来越多的研讨者将性能优良的PTFE膜用于膜生物反响器中。PTFE中空纤维膜具有疏水性,而将其用于膜生物反响器时需求其和水要有润湿性,因而需求对膜实行亲水改性,提升水润湿性。

         

          许海亮等为处理电镀废水处置过程中存在的生化指标达标难的问题,应用PTFE膜组件构建膜生物反响器,并对电镀废水实行处置。结果标明MBR通量可坚持在约16L/(m2·h)COD的脱除率超越50%。该工艺能够大大提升污泥量,防止结垢和出水跑泥等问题,提升了处置效果,可以使电镀废水的生化指标达标,具有良好的实践应用前景。

         

          徐毅等采用PTFE膜组件,应用MBR工艺对垃圾渗滤液实行处置,结果标明该工艺对CODNH4-N都有良好的脱除效果。李薇等]采用MBR工艺对含油废水实行了处置,处置结果标明基于PTFE膜的高通量、抗污染特性,该工艺处置效果明显,COD、石油类污染物、氨氮等均匀去除率都高于96%,出水可以满足行业和国度废水排放规范且膜抗污染性能良好。蒋文化等应用PTFE膜生物反响器对高含油、高COD、高氨氮的煤化工废水实行处置。经过PTFEGMBR系统处置后,出水指标到达排放请求,水质变化小,没有呈现膜丝断裂和膜通量降低的现象。

         

          四、完毕语

         

          PTFE膜具有良好的应用性能,在化工、纺织、医疗、环境、食品等范畴得到了越来越普遍的应用。但是由于其强疏水性和极低的外表能,使得PTFE膜润湿性差,难以处置水性溶液,限制了其应用过程和范畴,因而展开PTFE膜亲水化改性研讨具有重要的理想意义。

         

          随着膜行业科技人员的不时研讨,目前已有多种提升PTFE膜亲水性的办法,并应用到工程理论中。但是,目前常规PTFE膜亲水化改性办法有的亲水化修饰效果持续时间短,有的无法完成对中空纤维膜内部的亲水改性,有的接枝修饰反响工艺复杂、难以控制且运用大量有机溶剂,不但环境不友好,且难于完成工业化等。为了促进PTFE膜在实践工程中得到更普遍的应用,将来需求重点打破以下三方面。

         

          (1)加大新型、绿色可直接用于PTFE膜亲水改性的药剂的开发,简化改性工艺,降低施行难度,确保亲水性能的稳定,易于工业化

         

          (2)PTFE膜制备过程中,将PTFE原料与无机纳米资料实行混合,重点处理二者之间相容性差、无机纳米粒子易聚会的难题,提升无机纳米资料在PTFE基体中散布的平均性,从而应用资料间互相协同效应,赋予复合资料新的特性,提升亲水性能,同时也能够在膜中引入易于亲水改性的位点

         

          (3)展开基于PTFE膜组器的优化设计,进一步完善其内部构造,确保PTFE膜的优良性能得到充沛发挥,不时提升其在实践应用中的性能。

         


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