基于壳聚糖/单宁的聚偏氟乙烯膜表面亲水化改性研究开题报告
2020-02-10 11:02
1. 研究目的与意义（文献综述）
水资源是人类赖以生存的物质基础，然而，由于人口增长、城镇化、气候变化和环境污染等因素，水资源短缺成为人类生存和发展的主要挑战之一[1]。工农业废水、生活污水等的回收净化和再生利用是应对这个难题的重要思路之一，进而缓解水污染，推动经济和社会的可持续发展。膜技术凭借易控制、易维护、低能耗、无相变、强适应性、低占地面积、高分离效率等特点而在众多的水处理技术中备受关注，且应用广泛，如饮用水、废水、微咸水和海水淡化等，其核心材料是过滤膜，如调节孔径以截留不同尺寸物质的微滤膜（mf）、超滤膜（uf）、纳滤膜（nf）等[2, 3]。
聚偏氟乙烯是一种线型半结晶型聚合物，c-f、c-h和c-c的键能分别为453 kj/mol、414.5kj/mol和347.5 kj/mol[4]，且聚合物主链的c-c被氟、氢原子包围，使得pvdf具有优异的机械性能、化学稳定性、热稳定性等优点[5]，同时考虑到其易成膜、低毒等性质可知基于pvdf的水处理用分离膜材料前景广阔。然而，纯pvdf膜的表面能极低，临界表面张力仅为25-28.5 dynes/cm[4]，较强的疏水性使其在水处理领域的应用受限。一方面，纯水通量很小，水分子渗透穿过疏水性pvdf膜时需要较大的跨膜液压，不仅耗能费时，还缩短了薄膜的使用寿命[6, 7]。另一方面，一些天然有机和胶体物质会沉积、吸附或聚集在膜表面或膜孔内，引起膜污染和通量衰减[8]。一个主要原因是在pvdf膜和水分子之间的界面层中几乎没有氢键相互作用，疏水性pvdf膜表面对水分子的排斥作用是一个自发的熵增过程，使得天然有机物质如蛋白质倾向于吸附在膜表面，进而占据界面层。
因此，需要在pvdf膜表面构筑功能化亲水层，提升膜的表面张力，使水分子同亲水物质发生氢键相互作用而优先吸附在膜表面，进而在膜表面形成保护性水合层，防止污染物与薄膜接触并吸附在表面，达到改善薄膜的亲水性能和分离性能、减少膜污染、延长使用寿命的目的[9-12]。
2. 研究的基本内容与方案
2.1 基本内容
材料制备：取50mg壳聚糖于细口瓶中，将100ml去离子水和96μl乙酸混合均匀后倒入细口瓶中，电磁搅拌半小时。添加0.1g 30%的h2o2溶液，混合均匀后控温（温度设定为30℃、40℃、50℃、60℃、70℃）振荡6小时，得降解壳聚糖溶液。用naoh调节溶液ph至5~5.5，添加20mg 3-氯丙基三甲氧基硅烷（cts），电磁搅拌半小时，得壳聚糖改性溶液。对pvdf原始膜进行预处理，先用异丙醇浸泡半小时，接着用去离子水洗涤干净，再用去离子水浸泡半小时。将预处理后的pvdf膜置于壳聚糖改性溶液中，25℃下浸泡12小时。取20mg单宁酸配制100ml单宁改性溶液，溶液的ph由三羟甲基氨基甲烷（tris-buffer）缓冲剂调节在7.8左右。将pvdf膜从壳聚糖改性溶液中取出，用去离子水洗涤三次，置于单宁改性溶液中，25℃下浸泡12小时。取出后用去离子水洗涤三次，干燥即得壳聚糖/单宁改性pvdf膜。
材料表征：
3. 研究计划与安排
第1-3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，即pvdf膜表面亲水化改性研究，熟悉pvdf膜表面涂覆改性的实验操作，了解研究所需原料、仪器和设备。确定表面涂覆改性pvdf膜的制备方案以及性能测试、结构表征等手段，并完成开题报告。
第4-8周：按照设计方案，依据实验变量及性能测试、结构表征等的需要，制备各种壳聚糖/单宁改性pvdf膜。
第9-11周：采用atr-ftir、xps、fesem、水接触角、水下油接触角、纯水通量、乳液过滤通量、通量回复率、水冲洗试验等测试技术，分析改性pvdf膜的表面化学组成、形貌和亲水/疏油性能、过滤性能、抗污染性、亲水稳定性等指标。
4. 参考文献（12篇以上）
[1] shao l, wang z x,zhang y l, et al. a facile strategy to enhance pvdf ultrafiltration membraneperformance via self-polymerized polydopamine followed by hydrolysis ofammonium fluotitanate[j].journal of membrane science,2014,461: 10-21.
[2] subramaniam m n, goh p s, lau w j, et al. hydrophilic hollow fiberpvdf ultrafiltration membrane incorporated with titanate nanotubes fordecolourization of aerobically-treated palm oil mill effluent[j].chemicalengineering journal,2017,316: 101-110.
