聚乙烯吡咯烷酮PVP水处理膜工业中的应用

         聚乙烯基吡咯烷酮（Polyvinylpyrrolidone 简称PVP）又叫聚维酮（Povidone）是N-乙烯基吡咯烷酮（N－Vinylpyrrolidone，简称NVP）在特定条件下聚合而成的一种水溶性均聚物，具有吸附络合性、生理相容性和吸水和保水等性能。PVP的这些优良性能使聚乙烯基吡咯烷酮在化妆品、食品、医药，工业等领域有着广泛的应用前景。例如，药典名聚维酮（Polyvinylpyrrolidone 简称PVP）被收载于欧洲药典，英国药典、日本药典、美国药典、中国药典以及FCC（《食品化学典范》）中。现研究发现聚乙烯吡咯烷酮在水处理行业上不但是改性膜材料的绝佳材料也是优良的制孔剂，因此在水处理行业得到了广泛应用

        随着社会的进步和发展，人们的生活水平越来越高，但随之而来的是水资源污染的日益恶化，尤其是各种有机物对水源的污染，导致传统的水处理工艺中预加氯氧化、混凝沉淀、过滤、消毒等工艺已经不能满足现在水质的要求，而膜分离技术由于其出色的出水水质，广泛适用性在污水回用工程上成为当今最为关注的水处理技术之一。所以在水处理膜的成本、性能、以及膜后期的处理上都进行了大量的研究。随着国家十二五计划中对节能环保要求的提高和该行业资金的大力投入，特别是我国水资源的严重稀缺，水处理及其相关行业会有一个重点的发展契机。

        现最常用来做水处理膜的高分子材料有：聚偏氟乙烯（PVDF）、聚砜（PSF）、聚醚砜（PES）、聚氯乙烯（PVC）、聚酰胺（PA）、聚丙烯腈（PAN），但是直接用这些高分子材料制成的水处理膜都各自存在缺陷，比如制造成本高、机械性能差、水通量小、膜容易污染及破损等这种缺陷。所以寻找制造成本低、机械性能好、水通量大以及不容易污染破损的水处理膜是当今重中之重。其中膜污染问题，可以使用膜表面改性技术增强膜表面的亲水性以减小污染。通过表面改性技术可制出适当的分离膜，既具有足够的机械强度，又能有效地降低膜污染。膜表面改性技术主要有有机物接枝膜改性，等离子聚合法，有机物嵌段共聚膜改性，溶剂化，离子移变凝胶膜和共混复合改性等，其中共混复合改性方面的研究越来越引起人们的重视。该方法在溶剂中加入改善性能的助溶剂，使两种膜材料的相容性(互溶性)得到改善，诱导一种膜材料在另一种膜材料表面成膜，使界面高分子互相贯穿成网络结构，即互穿聚合物网络。

一．聚乙烯吡咯烷酮系列在改性高分子膜材料的应用：

1.NVP接枝改性高分子膜材料（以NVP接枝改性聚偏氟乙烯（PVDF）制成的水处理膜的研究为例来说明）：

   N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）是聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和共聚物（PVP/VA）的单体，制成的聚合物具有良好的溶解性，生物相溶性，化学稳定性，低毒性和成膜性，从而使它从化学物中脱颖而出，在化学、药学和材料领域有着广泛的应用，比如单体NVP通过接枝其他的高分子材料（棉纤维、PET纤维素、橡胶、聚丙烯膜和其他聚合物膜）都在保留各自的性能上又具有了PVP的优良的性能，从而使各高分子聚合物的应用性价和范围都得到了提高。

    聚偏氟乙烯（PVDF）是一种综合性能优良的高分子材料，具有良好的化学稳定性和耐热性，被广泛的应该用于膜材料，在环保、水处理、石油化工、食品加工等领域有广泛的应用，但是聚片氟乙烯（PVDF）却有一个缺点就是疏水性，这一缺点导致其应用领域大大受到了限制，性价比也大打折扣。通过研究表明聚偏氟乙烯（PVDF）的疏水性是由于其结构中缺少亲水性基团，而通过接枝技术在其结构式中引入亲水基团是改进其性能的重中之重。

 关于接枝聚偏氟乙烯（PVDF）材料的研究已经做过很多，比如丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺等单体，由于聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的上级原料单体N-乙烯基吡咯烷酮（N－NVP）在各方面的优越性，使得用N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）改性后的聚偏氟乙烯（PVDF）最后脱颖而出，不但使聚偏氟乙烯（PVDF）在更广泛的领域得到了应用，也解决了比如用聚偏氟乙烯（PVDF）制做的滤膜带静电导致容易被污染以及水通量小等实际应用上的问题。

2.PVP系列共混改性高分子膜材料(以与聚氯乙烯(PVC)共混改性研究来说明)：

  聚氯乙烯(PVC)大家都知道，不管在工业上还是生活上最常用到的就是它，它具有化学稳定性好，机械强度高，价格低廉，强耐酸碱性等优点，使其在膜分离技术领域得到了广泛的应用，但是PVC材料的亲水性差，导致制成的膜分离效果低下、抗污染能力差以及干湿膜的差别也很大（基本产品都是湿态膜），而湿态膜存在不抗菌、不易运输且只能在甘油中保存等缺点，大大制约了其应用领域与价值。为此，当今对PVC材料在水处理膜上应用研究都集中在对其的亲水性的改性上，国内外都大量的报道了在共混改性这方面上不同的方案，例如：PVC/VC-CO-VAC(氯乙烯-醋酸乙烯)、PVC/CEVA、PVC/CPVC(羧化聚氯乙烯)、PVC/SAN(聚乙烯-丙烯腈共聚物)、PVC/IB-CO-MIL(异丁烯-马来酸酐共聚物)、PVC/PAN(聚丙烯腈)、PVC/PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PVC/PVP(聚乙烯吡咯烷酮)、PVC/PVP-VA(乙烯吡咯烷酮-乙酸乙烯酯共聚物)等不同的共混改性研究，并且用改性后制成的膜都在不同条件、不同领域下得到了应用，以及各方面的性能都得到了不同的提升，但在通过大量的实验数据对比，得出在同等的条件下（比如同等的基准物质的截留率）用聚乙烯吡咯烷酮PVP或者聚乙烯吡咯烷酮共聚物PVP-VA系列改性后的PVC材料膜在各方面的性能上是最佳的。

  同理也有大量的报道用聚乙烯吡咯烷酮PVP来改性其它的高分子材料，如用改性后的聚砜或者聚醚砜制成的永久亲水性的中空纤维膜不但在污水处理上得到大量应用，也在医疗以及净化水上等领域上的高档膜中占到了一席之地。同理也有大量的报道用聚乙烯吡咯烷酮PVP来改性其它的高分子材料，如用改性后的聚砜或者聚醚砜制成的永久亲水性的中空纤维膜不但在污水处理上得到大量应用，也在医疗以及净化水上等领域上的高档膜中占到了一席之地。

二． PVP作为制孔剂在水处理行业上得应用：

聚乙烯吡咯烷酮PVP系列（聚乙烯吡咯烷酮均聚物、聚乙烯吡咯烷酮共聚物、不溶性的聚乙烯吡咯烷酮聚和物）不但在改性材料上对膜技术作出了重大贡献，并且它还是水处理膜上重要的制孔剂，现市场上很多水处理膜都是用聚乙烯吡咯烷酮PVP系列作制孔剂。

  比如：由于美国Dow化学公司尝试以聚乙烯基吡咯烷酮调控聚偏氟乙烯（PVDF）基材纳滤膜孔，并获得了成功，由此打开了聚乙烯基吡咯烷酮全新的应用领域。但是，这种用作制孔剂的聚乙烯基吡咯烷酮与传统聚乙烯基吡咯烷酮在分子链的结构上有明显的不同。传统聚乙烯基吡咯烷酮是在水溶液中，通过氧化还原引发体系引发聚合反应而得到的线性聚合物。期间，链增长自由基与氧化剂间发生的链转移反应是决定聚合物平均分子量的关键。但正因如此，聚合物的分子量分布极宽，分布指数一般可达5以上，以此传统聚乙烯基吡咯烷酮为制孔剂得到的滤膜孔径分布不均，膜的机械强力差，水通量低。为此，Dow化学国内工厂曾经对PVP树脂的理化指标，尤其是分子量分布提出了新的要求。为了满足客户的需求，已经与国内在水处理膜应用研究领域上有专长的高等院校进行项目合作，目的为实现对PVP树脂生产过程的可控化，制备符合客户要求及分子量分布均匀的新型PVP树脂

比如：由于美国Dow化学公司尝试以聚乙烯基吡咯烷酮调控聚偏氟乙烯（PVDF）基材纳滤膜孔，并获得了成功，由此打开了聚乙烯基吡咯烷酮全新的应用领域。 但是，这种用作制孔剂的聚乙烯基吡咯烷酮与传统聚乙烯基吡咯烷酮在分子链的结构上有明显的不同。 传统聚乙烯基吡咯烷酮是在水溶液中，通过氧化还原引发体系引发聚合反应而得到的线性聚合物。 期间，链增长自由基与氧化剂间发生的链转移反应是决定聚合物平均分子量的关键。 但正因如此，聚合物的分子量分布极宽，分布指数一般可达5以上，以此传统聚乙烯基吡咯烷酮为制孔剂得到的滤膜孔径分布不均，膜的机械强力差，水通量低。 为此，Dow化学国内工厂曾经对PVP树脂的理化指标，尤其是分子量分布提出了新的要求。 为了满足客户的需求，已经与国内在水处理膜应用研究领域上有专长的高等院校进行项目合作，目的为实现对PVP树脂生产过程的可控化，制备符合客户要求及分子量分布均匀的新型PVP树脂