PVDF混合基质膜在天然橡胶脱脂乳胶纯化中的生态功能化：表征与再生机制研究

《Polymers》：Eco-Functional PVDF Mixed Matrix Membranes: Characterization and Regeneration in Natural Rubber Skim Latex Purification Rianyza Gayatri, Rendy Muhamad Iqbal, Wirach Taweepreda, Muzafar Zulkifli and Ahmad Naim Ahmad Yahaya

针对天然橡胶工业脱脂乳胶纯化中膜污染严重、化学试剂依赖及可持续性不足等问题，本研究开发PVDF-PVP-TiO2混合基质膜(MMM)，采用超滤技术实现绿色浓缩，结合FESEM-EDX、FTIR表征膜污染行为，证实SDS清洗可有效恢复膜通量(最高达7.35 L/m2h)，为橡胶行业循环经济与零排放实践提供可持续分离技术方案。

　　

在天然橡胶工业的可持续发展浪潮中，脱脂乳胶作为一种高附加值副产品正逐渐崭露头角。这种源自天然橡胶乳胶加工过程的残余流，凭借其高橡胶含量、细小粒径及较短聚合物链的特性，成为制备高端工业材料的潜力原料。然而，传统纯化工艺往往依赖大量化学试剂，不仅造成环境污染，还面临膜组件易污染、使用寿命短等技术瓶颈，严重制约了脱脂乳胶的资源化利用。如何在不引入有害化学物质的前提下，实现脱脂乳胶的高效浓缩与膜组件的可持续再生，成为橡胶行业迈向循环经济的关键挑战。

针对这一难题，由Rianyza Gayatri、Rendy Muhamad Iqbal、Wirach Taweepreda、Muzafar Zulkifli及Ahmad Naim Ahmad Yahaya组成的研究团队，创新性地开发了聚偏氟乙烯(PVDF)-聚乙烯吡咯烷酮(PVP)-二氧化钛(TiO₂)复合混合基质膜(MMM)，并采用环境友好型超滤技术开展脱脂乳胶纯化研究。该成果发表于《Polymers》期刊，通过系统表征膜污染行为与再生机制，证实该膜材料在维持结构稳定性的同时可实现高效过滤与多次重复使用，为橡胶工业的绿色转型提供了重要的技术支撑。

研究人员采用相转化法制备PVDF-PVP-TiO₂混合基质膜，以天然橡胶脱脂乳胶为处理对象，在1 bar跨膜压力(TMP)条件下开展超滤实验，通过截留浓缩液(保留液)与渗透液(脱脂血清)的分离实现乳胶浓缩。关键技术方法包括：采用场发射扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱(FESEM-EDX)观察膜表面形貌与元素分布，利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析膜表面官能团变化，通过测量脱脂血清通量评估膜性能，并采用10%十二烷基硫酸钠(SDS)溶液进行两步化学清洗以探究膜再生潜力。

3.1. 脱脂乳胶过滤后膜表征

3.1.1. 膜的傅里叶变换红外光谱(FTIR)

FTIR分析显示，PVDF-PVP-TiO₂膜在脱脂乳胶过滤及后续SDS清洗过程中均保持结构完整性。特征峰分析证实PVDF( CF₂伸缩与弯曲振动)与PVP(C=O和C-N伸缩振动)的稳定存在，表明膜改性具有化学稳定性。SDS清洗后，与有机污染相关的C-H和-OH基团特征峰强度降低，证明清洗过程有效去除了吸附的乳胶污染物。原始膜在1402、1275、1179和1070 cm^-1处的PVDF特征峰，以及1065-1070 cm^-1处的-OH伸缩振动峰、1650 cm^-1处的CO伸缩振动峰均得到明确识别，PVP的特征峰(1290 cm^-1C-N、1660 cm^-1C=O、1463 cm^-1CH₂)也清晰可见，共同验证了膜材料的成功制备。

3.1.2. 过滤后膜的FESEM-EDX分析

FESEM图像直观展示了膜表面的污染状态：原始膜表面光滑均匀，而过滤后膜表面积累了大量不规则形状、尺寸各异的脱脂乳胶颗粒，形成分散或局部团聚体，呈现椭圆形和棒状结构的天然乳胶微域紧密粘附于膜表面。EDX元素分析显示，过滤后膜表面碳(C)含量高达84.25 wt.%，氧(O)含量为3.37 wt.%，同时检测到氟(F)、钛(Ti)、硫(S)、钾(K)、锌(Zn)等元素，其中钛元素(3.74 wt.%)的存在证实了TiO₂纳米颗粒的成功掺入。经SDS清洗后，膜表面大尺寸团聚体显著减少，暴露出更多膜纹理，残留颗粒尺寸明显减小，碳含量降至64.36 wt.%，氧含量升至28.54 wt.%，表明SDS通过破坏乳胶蛋白与膜基质间的疏水相互作用，有效促进了污染物的脱附。

3.2. 膜性能与清洗分析

通量测试结果表明，PVDF-PVP-TiO₂膜初始渗透通量达12.72 L/m²h，显著高于原始PVDF膜的8.14 L/m²h，这归因于PVP的造孔作用与TiO₂的亲水性提升效应。经过首次SDS清洗后，两种膜的通量均得到恢复，其中PVDF-PVP-TiO₂膜恢复至7.35 L/m²h，高于原始PVDF膜的6.82 L/m²h，显示出混合基质膜更强的抗污染性能。然而，第二次SDS清洗后，两种膜的通量均出现下降，PVDF-PVP-TiO₂膜降至5.57 L/m²h，原始PVDF膜降至3.91 L/m²h，提示存在不可逆污染或膜孔结构退化现象，但仍保持一定的过滤能力。

研究结论指出，PVDF-PVP-TiO₂混合基质膜在脱脂乳胶超滤过程中表现出优异的化学稳定性与抗污染特性。FTIR与FESEM-EDX表征共同证实，膜材料在过滤及清洗循环中结构完整性良好，SDS清洗可有效去除大部分可逆污染，实现通量的部分恢复。尽管多次清洗后清洗效率有所下降，但该膜体系仍展现出良好的重复使用潜力。TiO₂的掺入不仅提升了膜的亲水性，其潜在的光催化自清洁特性(UV诱导产生·OH自由基降解有机污染物)更为长期抗污染性能的提升提供了可能。该研究为天然橡胶工业开发可持续分离技术提供了重要依据，推动了循环经济和零排放生产模式的实践，同时也为膜材料的表面改性与清洗工艺优化指明了方向。