具有压电响应特性的PVDF多孔膜的微观结构设计及其在分离效率和抗污染性能方面的提升

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Microstructure design of PVDF porous membrane with piezoelectric response and its enhanced separation and antifouling performance

PVDF多孔膜通过非溶剂诱导相分离技术制备，调控LiCl和DMAc浓度获得海绵状结构与93% β相含量。DFT模拟证实Li+与PVDF的C-F偶极子离子-偶极相互作用促进β相形成。在5N机械力和2bar脉冲压力下，膜表面分别产生2V电压和-148±54mV输出，显著提升NOM抗污性能（FRR从46%增至89%，rejection从40%到56%），提出“电荷排斥与脉冲振荡协同作用”的抗污机制。

　　本研究聚焦于一种新型的聚偏氟乙烯（PVDF）多孔膜的制备与性能优化，旨在提升其在水处理中的污染物截留率和抗污染能力。PVDF作为一种常见的膜材料，因其优异的化学稳定性和机械性能而被广泛应用于水处理领域。然而，传统的PVDF膜在使用过程中容易受到膜污染的影响，尤其是由自然有机物（NOM）引起的污染，这不仅降低了膜的通量，还增加了运行成本。因此，如何有效提升PVDF膜的抗污染性能，成为当前水处理膜材料研究中的一个重要课题。

近年来，随着对PVDF材料研究的深入，人们发现其具有显著的压电效应，这一特性可以被用于改善膜的抗污染性能。压电效应是指某些材料在受到机械应力时能够产生电荷，从而引发电势变化。在水处理过程中，当水流通过膜时，施加的机械力可以触发PVDF膜的压电响应，使其表面产生电荷，进而增强对污染物的排斥作用。这种机制不仅可以提高膜的抗污染能力，还可以在一定程度上减少膜污染带来的负面影响。

为了进一步提升PVDF膜的压电性能和抗污染能力，本研究采用了一种非溶剂诱导相分离（NIPS）技术，通过调控铸膜液中锂氯（LiCl）和N，N-二甲基乙酰胺（DMAc）的比例，成功制备出具有高β相含量的PVDF膜。β相是PVDF中具有压电特性的晶型，其含量直接影响膜的压电性能。通过实验分析发现，当LiCl的含量增加时，PVDF膜的微观结构由手指状结构逐渐转变为海绵状结构，这一结构变化有助于提高膜的孔隙率和通量，同时增强其抗污染能力。

此外，研究还利用密度泛函理论（DFT）模拟方法，间接验证了LiCl与C-F偶极子之间的离子-偶极相互作用对PVDF膜β相含量的影响。这种相互作用能够促进PVDF分子从α相向β相的转变，从而提高膜的压电性能。实验结果表明，当施加脉冲压力时，PVDF膜表面可以产生约-148±54 mV的电势输出，这一电势的变化有助于提高膜的抗污染能力。在实际应用中，这种压电响应能够显著提升膜的通量恢复率（FRR）和污染物截留率（Rejection），从而提高膜的整体性能。

为了全面评估PVDF膜的抗污染性能，本研究使用牛血清白蛋白（BSA）、富里酸（HA）和海藻酸钠（SA）等物质模拟自然有机物，分别在恒压和脉冲压力条件下测试膜的性能。实验结果表明，当膜在脉冲压力条件下运行时，其污染物截留率和通量恢复率分别达到56%和89%，远高于恒压条件下的40%和46%。这说明，脉冲压力能够有效激活PVDF膜的压电效应，从而增强其抗污染能力。

在研究过程中，除了关注膜的压电性能和抗污染能力，还对膜的表面特性进行了详细分析。通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，不同LiCl含量的PVDF膜在微观结构上存在显著差异。当LiCl的含量较低时，膜的表面较为致密，孔隙率较低，而随着LiCl含量的增加，膜的表面逐渐变得多孔且疏松，呈现出海绵状结构。这种结构变化不仅提高了膜的通量，还增强了其抗污染能力。同时，通过表面电位测试发现，PVDF膜在脉冲压力作用下能够产生负电荷，这种电荷的存在进一步增强了膜对负电荷污染物的排斥作用。

此外，研究还对膜的表面电荷特性进行了深入分析。通过实验发现，当膜在脉冲压力作用下运行时，其表面电荷的分布和强度会显著增强。这种电荷的增强不仅有助于提高膜的抗污染能力，还能够通过电势变化影响污染物在膜表面的吸附行为。因此，膜的表面电荷特性在提升其抗污染能力方面起着关键作用。

本研究还提出了一种新的抗污染机制，即“增强电荷排斥与脉冲震荡污物排出”机制。该机制基于PVDF膜在脉冲压力作用下的压电效应，通过电荷的增强和机械力的震荡，实现对污染物的有效排斥和排出。这种机制不仅提高了膜的抗污染能力，还能够在一定程度上减少膜污染带来的负面影响，从而延长膜的使用寿命。

综上所述，本研究通过调控铸膜液中LiCl和DMAc的比例，成功制备出具有高β相含量和优异压电性能的PVDF膜。该膜在恒压和脉冲压力条件下均表现出良好的抗污染能力，其污染物截留率和通量恢复率分别达到56%和89%。同时，膜的表面电荷特性在提升其抗污染能力方面起着关键作用。通过本研究的探索，为开发高效、高抗污染的PVDF膜提供了重要的理论依据和实践指导。未来，进一步研究如何优化膜的压电性能和抗污染能力，将有助于推动PVDF膜在水处理领域的广泛应用。