静电静电纺丝法制备PVDF纳米纤维膜及乳液分离性能研究

作     者：杨鸿坤 

作者单位：长春工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：贾菲

授予年度：2024年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：多孔结构 静电纺丝 自清洁 油水分离 

摘      要：漏油污染和化学污染物的排放对生态环境和人类健康构成了越来越大的威胁。传统的物理分离技术,包括离心、浮选、撇剂和絮凝,由于分离效率低、高成本和潜在的二次污染等固有的限制,在有效分离油/水乳剂方面遇到了挑战。目前,静电纺丝纳米纤维膜由于其优异的柔韧性、高孔隙率、低能耗、易于改性、成本低、分离效率高等优点,被广泛应用于含油废水的处理。本文基于静电纺丝技术对超疏水的聚偏氟乙烯(PVDF)膜进行改性,通过亲水性的纳米颗粒在纤维表面的原位生长,实现了PVDF膜从超疏水向超亲水的转变,并具有高效的乳液分离能力。 (1)采用牺牲聚乙烯吡咯烷酮(PVP)模板方法和同轴静电纺丝技术,在PVDF纤维表面成功构建了具有微纳米多孔通道的复合结构。通过在纤维表面原位生长植酸铁纳米颗粒,实现了PVDF膜从超疏水到超亲水的转变。同时,由于纳米颗粒与纤维孔壁之间形成的“互锁结构,使得纳米粒子改性纳米纤维膜具有出色的稳定性和耐久性。这种特殊的微纳米结构设计改进了PVDF膜对油污的抵抗能力。即使经过7小时超声处理,该分离膜仍然能够保持其超亲水性,并且能有效抵抗原油附着。此外,纳米纤维膜对四种不同类型的水包油乳液始终保持着超过99%的高分离效率,表明其具有广泛的适应性和高效的乳液分离能力。 (2)基于第一部分的工作,采用静电纺丝技术制备了具有纳米多孔结构的Janus纳米纤维膜。将植酸(PA)与聚乙烯亚胺(PEI)配位形成的纳米颗粒自组装在疏水PVDF膜上进行亲水修饰。随后,在改性后亲水的PVDF膜上进行连续的静电纺丝,构建了具有可切换润湿性的Janus结构纳米纤维膜。纳米颗粒和多孔结构的协同作用使膜的纳米尺度结构和粗糙度都显著增加,并具有优异的稳定性和耐久性。润湿性测试证明改性后亲水侧水接触角为0°,疏水侧为150°以上。乳液分离研究表明,Janus膜对水包油乳液和油包水乳液均具有99%以上的分离效率,且超亲水侧具有抗原油粘附能力,同时,Janus膜对染料的吸附效率均达到90%以上。对Janus膜进行耐久性测试,经超声处理8小时后,分离膜仍保持完整的形态结构和超润湿性。因此,这种具有高效分离效率的Janus纳米纤维膜在废水处理方面具有广泛的应用前景