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聚乙烯醇改性无纺布复合膜的制备与耐污染性能研究

膜生物反应器（MBR）是将膜分离技术和生物反应器相结合的一个新型污水

处理工艺。MBR以膜分离装置取代传统废水生物工艺中的二沉池，实现高污泥浓

度运行，具有工艺流程简单、占地面积小、固液分离效率高、自动化程度好、剩

余污泥产量少等优点。

MBR作为一种新型高效的水处理技术，受到各国水处理技术研究者的日益关

注。但是高造价的膜组件和膜污染问题成为当前限制MBR广泛应用的主要瓶颈。

因此，有必要研究降低膜组件造价和减少膜污染的方法，这对扩大MBR的应

用领域具有重要意义。本实验研究以国内企业生产的、价格低廉的过滤材料-无

纺布代替目前MBR中通常使用的高分子膜材料；为了预防和减少膜污染，以聚乙

烯醇（PVA）为改性材料，采用表面涂敷法对疏水性的无纺布表面进行亲水改性，

制备了PVA改性无纺布复合膜，用于废水处理。

本研究主要考察了制膜工艺和制备条件对PVA改性无纺布复合膜性能的影

响以及复合膜的耐污染性能；并借助全反射红外光谱（ATR-FTIR）、X光电子能

谱（XPS）以及扫描电子显微镜（SEM）等现代分析技术对复合膜的表面微观结构

和表面化学结构进行了表征和分析。研究内容有：（1）考察了有／无亲合剂（聚

乙二醇）预处理以及改变PVA浓度、催化剂浓度、涂膜时间、热处理温度和时间，

复合膜的纯水通量和静态水接触角的变化。

结果表明：亲水化预处理有利于PVA均匀地附着于无纺布的表面，但是复合

膜纯水通量明显小于没有预处理的复合膜，而两者的静态接触角则没有显示出较

大的差别。增加PVA和交联剂浓度以及涂膜时间、热处理温度和时间，均使复合

膜的纯水通量降低。

PVA改性使无纺布表面的亲水性能得到明显改善。（2）采用无亲合剂预处理

的制膜工艺，考察了PVA浓度以及交联剂浓度、基膜（无纺布）公称孔径对复合

膜的纯水通量、截留率、固定度以及拉伸强度和撕裂强度的影响。

结果表明：增加PVA和交联剂的浓度以及减小基膜公称孔径，均使复合膜的

纯水通量降低，对聚丙烯酰胺（分子量860万）的截留率提高。PVA在无纺布表

面的固定度随着PVA浓度增大而增加，但交联剂浓度变化对固定度的影响不明显。

PVA改性增强了无纺布的机械性能，复合膜的拉伸强度和撕裂强度均大于未

改性无纺布，但受铸膜液中PVA浓度和交联剂浓度变化的影响。（3）ATR-FTIR、

XPS以及SEM对复合膜的表面微观结构和表面化学结构的表征和分析结果表明：

基于吸附、沉淀等物理化学作用的改性方法，改变了无纺布的表面性质和表面分

子结构，在无纺布表面引入了基团-OH和C-O-C，且羟基以多种形式存在于改性

无纺布的表面。

通过化学交联作用增强了PVA薄膜分子间的相互作用，同时保留了无纺布的

基本结构。改性后无纺布表面的组成元素中有C、O两种元素。

C元素有三种结合形式，除了C-H外，增加了C-O和O-C-O两种结合形式。

改性无纺布中由于含氧基团的引入，O元素的相对含量显著增加，C元素相对含

量有所降低。

PVA改性使无纺布的空隙率减小，表面变得更光滑。在断面扫描图中发现存

在明显的界面层，说明在无纺布的表面复合了PVA薄膜，形成了复合膜结构。

（4）通过静态吸附牛血清蛋白（BSA）实验和动态处理人工废水实验，研究

了复合膜的耐污染性能。PVA浓度为0．8wt％时得到的改性无纺布，对BSA吸附

量最小，与未改性无纺布相比，BSA吸附量降低了83．4％，说明无纺布经PVA

改性后能有效抑制BSA的吸附，增加无纺布的耐污染性能。

改性前后无纺布的膜污染指数（MFI）分别为0．9519和0．2238，改性无

纺布显示了良好的耐污染性能。采用统计分析方法研究了MBR中的胞外聚合物

（EPS）、溶解性EPS（EPSsubS/sub）组分中的P／C（蛋白质／多糖）、活性

污泥的相对疏水性（RH）与膜污染阻力的相关性。

结果表明：EPSsubS/sub以及其组分中的P／C、RH对膜污染阻力有明显

影响，与改性无纺布／未改性无纺布膜污染阻力的皮尔逊相关系数

rsubp/sub分别为：0．868／0．856、0．840／0．866、0．890／0．841。

改性无纺布表面能有效抑制EPSsubS/sub的吸附，降低EPSsubS/sub中

的P／