新型碳纤维基RGOPVDF导电复合膜的制备及性能研究.docx

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新型碳纤维基RGOPVDF导电复合膜的制备及性能研究

万方数据

大连理工大学硕士学位论文

得不同PH值的HA溶液三种污染物分别代表着诸如工业废水、活性污泥以及天然有机污染物等不同类型的污染物。

（1）膜的通量

膜的通量（Flux，n是通过虹吸的原理，在恒定的外压（9．8kPa）下测定的。

通量的计算公式如下：

F：

兰

At。

A（4．1）

其中，F为膜的通量，L／（m2h）；V为△t内累积的过滤液的体积，L；△f为过滤时间，h；彳为膜过滤的有效面积，m2。

（2）通量恢复率

通量恢复率（Fluxrecoveryrate，FRR）是指过滤膜清洗后的清水通量与膜未过滤前的

清水通量的比值，此比值用来评价膜抗污染的性能。

文中通量恢复率计算公式如下：

脚：

竺

Fwl（4．2）

其中，Fwl为膜未过滤污染物前的清水通量，L／（m2h）；Fw2为过滤实验完成，膜清洗后

的清水通量，L／（m2h）。

FRR的值越大，膜得抗污染性能越好1121】。

（3）截留率

截留率（Rejection／Retentionrate，R）是指一定量的进料液在经过膜过滤后，截留污染物的量与进料液中污染物的量的比值，一般以浓度的形式表示，是表征膜过滤性能的一个重要指标。

其计算公式如下：

尺=旧）×100％（4．3）

其中，o为进料液的透过液浓度，mg／L；o为进料液原液的浓度，mg／L。

根据第三章的表征结果，制备的GO／PVDF复合膜和RGO／PVDF复合膜具有各自的

优点。

本章实验将在不同的外加电场作用下，对不同膜的性能进行探究。

4．3结果与讨论

4．3．1导电复合膜对聚丙烯酰胺的过滤性能和抗污染性能聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM），因可提高石油的采出率而广泛应用于石油开采

领域，是采油废水中的不可忽视的组分。

由于物质本身的黏性，使得膜分离技术处理该

类废水的效率大大降低，不利于物质本身的分离和回收。

PAM的水解产物同样会影响出水水质，且对环境造成不良的影响，所以选择其为实验研究的第一个标志性污染物

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1122]。

该物质带负电荷，其Zeta电位为．20mV—．40mV。

（1）膜的清水通量三种碳纤维基复合膜的清水通量测定结果，如图4．2所示。

如文章第三部分，GO的

添加增大了铸膜液的黏度，减慢了相分离的速度使得表面孔变得致密，故复合膜具有最小的亲水通量，而纯的PVDF膜具有最大的亲水通量；尽管HI的热处理过程使得RG0／PVDF导电复合膜的亲水性变差，但是提高了膜的亲水通量。

纯PVDF膜经HI的热处理后，通量增大了18％，而GO／PVDF复合膜的通量增大了71．6％，且导电性增加了约两个数量级，故RGO／PVDF导电复合膜在过滤带电的污染物方面具有较大的优越性。

图4．2制各的不同膜的清水通量

Fig．4．2Purewaterfluxofdifferentpreparedmembranes

（2）外加电场作用对膜过滤性能的影响

为保证实验变量的单一性，两个膜组件同时放入待过滤液中。

利用直流电源，将不锈钢网作为阳极，制备的复合膜作为阴极，对照组无外加电场。

实验利用虹吸的原理在恒定的9．8kPa的外压下进行。

首先，在相同外加电场（0．6V／cm）作用下，对GO／PVDF复合膜和RGO／PVDF复合膜过滤PAM的性能进行了研究。

如图4．3（a）可知，在外加电场的作用下，RGO／PVDF复合膜具有最大的通量：

而GO／PVDF复合膜因膜表面的导电性较差，膜表面与分子之间的静电排斥力较弱，故在有、无电场的作用下，通量基本没有变化。

在截留率方面，两种膜的截留率差别不大，但运行通量小的膜具有最好的截留效果（如图4．3（b））。

FRR作为衡量膜抗污染性能的参数，RGO／PVDF复合膜拥有更大的FRR值，说明在膜清洗

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图4．3GO／PVDF膜与RGO／PVDF膜对PAM污染物的过滤性能：

（a）流量．时间图：

（b）截留率．时间图：

（c）膜过滤后的通量恢复率

Fig．4．3FiltrationperformanceofGO／PVDFandRGO／PVDFmembraneswithPAMastarget：

（a）Flux·time；（b）Rejection—time；（c）thefluxrecoveryrate（FRR）ofmembranesafterfiltration

-31．

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图4．4RGO／PVDF膜对PAM污染物的过滤性能：

（a）流量变化．时间图；（b）截留率．时间图；（c）在过

滤PAM的一个循环周期内，膜的通量恢复率和相应的溶液累计体积

Fig．4．4FiltrationperformanceofRGO／PVDFmembraneswithPAMastarget．（a）J／Jo．time；（b）Rejection-time；（e）Theaveragevalueoffluxrecoveryrate（ERR）andcorrespondingcumulativevolumeofRGO／PVDFmembraneinonefiltrationcycle

．32一

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后，有更少的物质残留在膜的表面以及膜孔内。

综上可知，与GO／PVDF复合膜相比，

RGO／PVDF复合膜在含PAM的废水溶液的过滤实验中展现出更好的性能。

为进一步研究RGO／PVDF导电复合膜在PAM的水溶液中的运行性能，我们对膜进行了三个周期的循环测试。

如图4．4（a，b）所示，与未加电场的对照组相比，在0．6V／cm的外加电场作用下，其标准化通量（J／Jo）的值下降的更慢；RGO／PVDF复合膜对PAM的

截留率较高，但外加电场作用下的截留率略低于对照组。

这些结果与外加电场作用下，

RGO／PVDF复合膜的抗污染性能增强相关：

首先，PAM本身带负电荷，当外加电场作用于阴极膜时，膜表面的电荷与PAM分子间产生静电排斥作用，使得更少的污染物沉积或粘附于膜的表面。

膜孔的堵塞速率越小，膜的运行通量越大，相应的膜的截留效果也会有所减小：

其次，在三周期的循环实验中，RGO／PVDF复合膜对PAM的截留率呈逐渐上升的趋势，主要与膜孔的堵塞以及膜表面滤饼层（或凝胶层）相关。

尽管测试膜在每周期运行后，会对其进行清洗，但去除的主要是膜表面可去除的物质，仍有部分残留于膜孑L内，FRR值也正说明了这一点，所以，在运行的第三周期，膜对PAM的截留率

最高。

图4．4（c）显示，在单个的运行周期内，实验组和对照组的RGO／PVDF复合膜具有类似的通量恢复率，但外加电场下的RGO／PVDF复合膜，具有更大的过滤液累计体积。

FRR值大小相近与膜本身的性质相关，说明过滤完成清洗后，有相对较少的物质粘附在膜的表面；而过滤液累计体积增加约21％，说明外加电场下的RGO／PVDF复合膜的平

均通量增大，膜污染状况得到了缓解。

4．3．2RGO／PVDF导电复合膜对酵母粉的过滤性能和抗污染性能为更全面的考察制备的RGO／PVDF导电复合膜，本小结对铸膜液中致孔剂聚乙烯吡

咯烷酮（PVP）的质量分数进行调整，制备不同孔径的膜。

实验以酵母粉（Zetapotential=．12．9mV）为过滤对象，模拟在EMBR的条件下膜的过滤性能。

酵母粉的浓度为2g／L，外加电场的强度为0．4V／cm（外加电场的强度以导电膜开始产生抗污染效果而定）。

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图4．5铸膜液中，不同质量分数的PVP对RGO／PVDF膜过滤酵母的通量变化（a）以及

截留率（b）的影响

Fig．4．5InfluenceonRGO／PVDFmembraneyeastfiltrationfluxattenuation（a）andrejection（b）of

differentPVPconcentrationinthecastingsolution

在保持铸膜液中PVDF和GO的质量分数不变的前提下，通过调整致孔剂PVP和有机溶剂的用量，制备不用孔径和孔隙率的膜。

如图4．5（a）结果显示：

含同一质量分数PVP的RGO／PVDF导电复合膜，在0．4V／cm的外加电场作用下，其通量下降速率均小于未加电场的情况，说明外加电场作用于RGO／PVDF导电复合膜后，使得膜的抗污染性能提高。

致孔剂在膜液相相转化时，向非溶剂相迁移的量和速率影响着制备膜的孔径和孔隙率；随着PVP质量分数的增大，RGO／PVDF导电复合膜的初始通量也逐渐增大，污染导致的通量衰减更快，故J／Jo随PVP比例增加，呈现更快更大的递减趋势。

图4．5（b）反映了RGO／PVDF导电复合膜对酵母的截留性能。

外加电场在一定的程度

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上提高了RGO／PVDF导电复合膜对酵母的截留率。

当PVP的质量分数为1％时，运行30min时，膜对酵母的截留率已经接近100％，而当PVP的质量分数为4％时，同样的运行时间下，膜对酵母的截留率仅有60％左右；PVP质量分数为2％时，运行2h后，

膜对酵母的截留率可达90％。

随着致孔剂PVP质量分数的增大，膜的孔径和孔

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