使用三嵌段聚合物作为界面改性剂实现水处理有机膜防有机污染之关键技术研究

Membran organic fouling (including biological one) has long been a bottle-neck problem that limits the more wide application of membrane separation technology in water and wastewater treatment. This is largely due to the fact that membrane organic fouling not only commonly exists in water and wastewater treatment applications, but also usually forms irreversible fouling, causing the change in membrane performance,the difficulty in cleaning,the shortened life span， as well as the complexity and high cost in membrane system operation and maintenance. So far, there have been many studies conducted in membrane organic fouling and its prevention. In spite of certain successes being obtained, many of the results have limited application ranges or scopes, and, also, they have not come to a state that reveals an essential, widely effective and consistent approach to overcome the problem of membran organic fouling. This proposed study starts from the concept of surface energy (or surface tension) of materials and the principle of surface interaction between materials, uses the more extreme condition of membrane organic fouling by oil as the fundamental point, put forward the viewpoint of utilixing membrane with both highly hydrophilic and oleophobic surface properties as the key and effective measure to minimize the effect of organic fouling on water treatment membranes,as well as employ a triblock polymer as a membrane material additive to modify membrane interfical characteristics as an approach to realize the desired multiple features of the membrane. Experimental study will include membrane preparation, effects of membrane preparation factors on membrane properties, and the behaviors and performance of developed membranes against organic fouling, suing various organic pollutants, both typical ones and those with different fouling strengh, as the targets.

膜的有机污染（包括微生物污染）一直以来是一个限制膜分离技术在水和废水处理中更广泛应用的一个瓶颈问题。这是因为这种污染不仅广泛存在，而且通常形成不可逆污染，造成膜的性能改变，清洗困难, 使用寿命缩短以及膜系统的运行维护复杂和昂贵。迄今为止虽有大量的防治膜有机污染的研究并在一定程度上减轻其影响，但这些结果大多都具有有限的适应范围, 而且至今还未能揭示一个广泛有效的克服膜有机污染的一致途径。本研究课题从物质的表面能和相互作用的规律出发，以有机污染的较极端情况-油污染-作为基点, 提出了同时具有既高亲水又高疏油的多重表面特征的膜的观点作为一个解决水处理膜有机污染的关键和有效措施, 并通过使用一种三嵌段聚合物为膜材料添加剂调控膜的界面性能为手段而实现膜的表面所需的多重特性。实验研究将包括新型膜的制备, 膜的制备因素对膜的特性的影响，以及膜对各种典型的和具有不同污染能力的有机污染物的抗污染的特征和能力。

本项目围绕水处理有机聚合物膜如何高效防止有机污染这个瓶颈问题进行了系统和深入的研究。在相关理论方面，以扩展的XDLVO理论为基础较全面地解析了膜与污染物之间作用力的特点及其在膜污染控制中的可能作用，对各种常用水处理膜基质材料的潜在膜污染特性进行了预测和排序，并揭示了有机聚合物膜分离油类污染面临的技术挑战及将其作为抗有机污染的极端情况之一的合理性。针对采用三嵌段聚合物（A+B+C）结构的添加剂作为调控膜的界面性能及实现膜的表面多功能特性的策略，本研究系统地考察了选择A为聚偏氟乙烯，聚苯乙烯或聚氯乙烯的例子以解决添加剂和膜基质材料之间的相容性问题；考察了B为聚丙烯酸和聚乙二醇等亲水材料以提高膜表面的亲水性的有效性；和考察了C为氟化表面活性剂，如fPEG，提高膜外层表面的抗油污染的特殊能力。本项目成功地制备了一系列嵌段有机高分子聚合物添加剂，并将这些聚合物添加剂与几种典型膜基质材料进行了共混制膜，通过控制成膜条件实现了膜所需的微结构及嵌段聚合物添加剂在膜内及膜表面的功能分区。研究对各种改性膜与未使用添加剂的常规膜的抗污染能力进行了系统地分析表征和试验评价，尤其是将膜用于含有蛋白质，腐质酸或油类等的人工合成废水或真实废水的过滤分离试验。研究表明，使用三嵌段聚合物添加剂作为膜性能调控剂是一个十分有效的方法，不仅使添加剂和膜基质材料有较好的相容性，能维持或改进改性膜的强度，而且可以同时实现膜表面的既超亲水又超疏油的特殊多功能，使膜不仅具有较好的水通量，又能对天然有机物，蛋白质和油类等膜污染性极强的污染物质表现出优异的抗污染性能。例如，将改性有机中空纤维膜直接应用于油水分离试验中，膜可以多次重复使用，水洗膜的通量恢复率可达97%以上，而普通有机膜一直却无法有效用于油水分离。本研究为开发新型的抗有机污染的，特别是具有既高亲水又高疏油双重特性的有机聚合物膜展示了研究方向和技术途径，具有重要的科学和工程意义。

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