CN102512998A - 一种分子筛改性聚砜超滤膜的制备方法 - Google Patents

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本发明涉及一种分子筛改性聚砜超滤膜的制备方法。现有提高聚砜膜的渗透性能的方法不能同时兼顾水通量和截留性能。本发明方法首先将有机添加剂、溶剂、聚砜和分子筛按顺序加入容器中搅拌溶解，得到初步分散均匀的铸膜液，30～80℃下静止放置18～36小时，进行脱泡；将脱泡后的铸膜液在超声场中作用1～5小时，得到分子筛分散均匀的铸膜液；将分子筛分散均匀的铸膜液通过相转化法制备成微孔膜，在水中浸泡至少24小时进行脱除溶剂处理，得到聚砜超滤膜。采用本发明方法制备的聚砜超滤膜的水通量和截留能够同时得到提高。

Description

一种分子筛改性聚砜超滤膜的制备方法
技术领域
本发明涉及膜分离技术领域，涉及一种分子筛改性聚砜超滤膜的制备方法。
背景技术
超滤膜是一种性能介于微滤和纳滤之间的压力驱动膜。它可以除去色素、胶体、蛋白质等有害物质，因此它已经被广泛应用于水处理，食品加工，医药，纺织等行业。由于聚砜具有高的力学性能，热稳定性，化学稳定性等，因此聚砜超滤膜经常作为纳滤，正渗透，反渗透等复合膜的支撑层。但是，由于聚砜是疏水性材料，制得的复合膜的水通量通常都比较低。
人们已经采用很多方法来改善聚砜膜的亲水性，从而提高聚砜膜的渗透性能（包括水通量和截留）。如：Young Hoon Cho等人通过紫外接枝的方法制备出抗污聚砜-聚环氧乙烷无规共聚物超滤膜，聚砜-聚乙二醇接枝共聚物和亲水性聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸甲酯和聚甲基丙烯酸缩水甘油酯聚合物刷来改性聚砜膜的亲水性，但是这些方法操作过程比较复杂，且易受外界条件影响。韩润林等人用NaA型分子筛颗粒改善聚醚醚酮复合膜的亲水性，结果发现该膜截留大大提高而水通量稍微有所下降。针对膜的渗透性能较低的问题，中国发明专利CN1110625A制备出一种聚丙烯腈-聚砜共混超滤膜来提高聚砜膜的水通量，中国专利CN101721928A通过加入聚乙烯吡咯烷酮和辅助添加制备了一种高强度、亲水性聚砜类中空纤维超滤膜，而中国专利CN1179354A通过紫外接枝的方法对聚砜膜的渗透性能进行改性。各种方法都可以在一定程度提高纳滤膜的渗透性能，但是大量的实验结果表明，大部分添加剂可以改善膜的水通量或者截留，但是两者之间存在一种trade-off现象，trade-off现象是一种此消彼长的现象，即当膜的水通量上升时，其截留有所降低，当膜的水通量降低时，截留就会升高。由于分子筛本身具有纳米的微孔通道，它可以增加膜的水通道，同时又对大分子有机物有一定的截留作用，因此，分子筛可以解决水通量和截留之间的trade-off现象。
通过以上分析可以发现，通过在铸膜液中加入分子筛，可借助分子筛本身具有的纳米微孔通道来提高膜的水通量和截留，从而制备出水通量和截留同时提高的聚砜膜则没有报道。
发明内容
本发明的目的就是为解决聚砜超滤膜的水通量和截留之间存在的trade-off现象，提供一种分子筛改性聚砜超滤膜的制备方法，使聚砜超滤膜的水通量和截留同时提高。
本发明方法的具体步骤是：
步骤(1).将有机添加剂、溶剂、聚砜和分子筛按顺序加入容器中搅拌溶解，搅拌温度为30～80℃、搅拌时间为6～24小时，得到初步分散均匀的铸膜液；初步分散均匀的铸膜液中按质量百分比计含有机添加剂0.1～8﹪、溶剂59～89.8﹪、聚砜10～30﹪、分子筛0.1～3﹪；
作为优选，搅拌溶解过程中搅拌温度为40～60℃、搅拌时间为12～24小时；
所述的有机添加剂为聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、乙二醇和乙醇中的一种或者任意两种的混合物；
所述的溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜和甲基吡咯烷酮其中的一种或者任意两种的混合物；
所述的聚砜的分子量为50000～80000道尔顿；
所述的分子筛为A型分子筛、X型分子筛、Y型分子筛、M型高硅型沸石分子筛中的一种，分子筛的平均粒径为10纳米～2微米，分子筛的平均微孔通道直径为0.3～2纳米；
作为优选，所述分子筛的平均粒径为300纳米～700纳米，分子筛的平均微孔通道直径为0.5～1纳米；
步骤(2).将初步分散均匀的铸膜液在30～80℃下静止放置18～36小时，进行脱泡；
作为优选，脱泡温度为40～60℃；
步骤(3).将脱泡后的铸膜液在超声场中作用1～5小时，得到分子筛分散均匀的铸膜液；所述超声场的频率为20～100千赫兹，超声场的温度为25～90℃；
作为优选，所述超声场的频率为60～100千赫兹，超声场的温度为25～45℃；
步骤(4).将分子筛分散均匀的铸膜液通过相转化法制备成微孔膜；相转化法为成熟的现有制膜方法。
步骤(5).将微孔膜在水中浸泡至少24小时进行脱除溶剂处理，得到聚砜超滤膜。
本发明方法以聚乙二醇等作为有机添加剂，以分子筛为无机添加剂制备出聚砜超滤膜，由于有机添加剂和分子筛自身的亲水性，使得两者之间存在氢键的相互作用，从而使得膜表面变得致密，同时可通过分子筛本身具有的纳米微孔通道和分子筛与分子筛之间的间隙来增加膜的水通道，同时由于分子筛的微孔通道为纳米级，对大分子有机物有一定的截留作用，又不会降低聚砜膜的截留，从而可以同时提高聚砜超滤膜的水通量和截留。另外分子筛的加入还可以增加聚砜膜的机械性能，可以用于水处理、电镀液的回收、医药、食品及纺织行业，也可以用来作为纳滤膜的支撑层，为制备大通量高强度的纳滤膜开辟了一条道路。本发明方法具有制备工艺简单，能同时提高膜的水通量和截留的特点。
具体实施方式
实施例1.
步骤(1).将50g聚乙二醇、730g二甲基甲酰胺、200g聚砜和20g分子筛按顺序加入容器中30℃下搅拌24小时，搅拌溶解得到初步分散均匀的铸膜液；其中分子筛为A型分子筛，平均粒径为10纳米、平均微孔通道直径为0.3纳米；
步骤(2).将初步分散均匀的铸膜液在30℃下静止放置36小时，进行脱泡；
步骤(3).将脱泡后的铸膜液在频率为100千赫兹、温度为50℃的超声场中作用1小时，得到分子筛分散均匀的铸膜液；
步骤(4).将分子筛分散均匀的铸膜液通过相转化法制备成微孔膜；
步骤(5).将微孔膜在水中浸泡24小时进行脱除溶剂处理，得到纯水通量为800L/m2h·0.1兆帕、截留分子量为6000道尔顿的聚砜超滤膜。
作为比较案例，不在铸膜液中加入分子筛的聚砜超滤膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1).将50g聚乙二醇、730g二甲基甲酰胺、200g聚砜按顺序加入容器中30℃下搅拌24小时，搅拌溶解得到分散均匀的铸膜液；
步骤(2).将分散均匀的铸膜液在30℃下静止放置36小时，进行脱泡；
步骤(3).将脱泡后的铸膜液通过相转化法制备成微孔膜；
步骤(4).将微孔膜在水中浸泡24小时进行脱除溶剂处理，得到纯水通量为120L/m2h·0.1兆帕、截留分子量为70000道尔顿的聚砜超滤膜。
由此，制备过程中加入了分子筛，纯水通量从120 L/m2h·0.1兆帕提高到提高到800L/m2h·0.1兆帕，截留分子量从70000道尔顿变为6000道尔顿，使得聚砜膜可以截留更多的有机污染物，达到了使水通量和截留同时提高的目的。
实施例2.
步骤(1).将20g聚乙烯吡咯烷酮、675g二甲基乙酰胺、300g聚砜和5g分子筛按顺序加入容器中50℃下搅拌15小时，搅拌溶解得到初步分散均匀的铸膜液；其中分子筛为X型分子筛，平均粒径为300纳米、平均微孔通道直径为0.5纳米；
步骤(2).将初步分散均匀的铸膜液在40℃下静止放置32小时，进行脱泡；
步骤(3).将脱泡后的铸膜液在频率为80千赫兹、温度为40℃的超声场中作用2小时，得到分子筛分散均匀的铸膜液；
步骤(4).将分子筛分散均匀的铸膜液通过相转化法制备成微孔膜；
步骤(5).将微孔膜在水中浸泡30小时进行脱除溶剂处理，得到纯水通量为500L/m2h·0.1兆帕、截留分子量为15000道尔顿的聚砜超滤膜。
作为比较案例，不在铸膜液中加入分子筛的聚砜超滤膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1).将20g聚乙烯吡咯烷酮、675g二甲基乙酰胺、300g聚砜按顺序加入容器中50℃下搅拌15小时，搅拌溶解得到分散均匀的铸膜液；
步骤(2).将分散均匀的铸膜液在40℃下静止放置32小时，进行脱泡；
步骤(3).将脱泡后的铸膜液通过相转化法制备成微孔膜；
步骤(4).将微孔膜在水中浸泡30小时进行脱除溶剂处理，得到纯水通量为50L/m2h·0.1兆帕、截留分子量为60000道尔顿的聚砜超滤膜。
由此，制备过程中加入分子筛，纯水通量从50 L/m2h·0.1兆帕提高到500L/m2h·0.1兆帕，截留分子量从60000道尔顿变为15000道尔顿，使得聚砜膜可以截留更多有机污染物，达到了使水通量和截留同时提高的目的。
实施例3.
步骤(1).将10g乙二醇、810g二甲基亚砜、150g聚砜和30g分子筛按顺序加入容器中45℃下搅拌18小时，搅拌溶解得到初步分散均匀的铸膜液；其中分子筛为Y型分子筛，平均粒径为500纳米、平均微孔通道直径为0.8纳米；
步骤(2).将初步分散均匀的铸膜液在50℃下静止放置30小时，进行脱泡；
步骤(3).将脱泡后的铸膜液在频率为60千赫兹、温度为60℃的超声场中作用3小时，得到分子筛分散均匀的铸膜液；
步骤(4).将分子筛分散均匀的铸膜液通过相转化法制备成微孔膜；
步骤(5).将微孔膜在水中浸泡25小时进行脱除溶剂处理，得到纯水通量为980L/m2h·0.1兆帕、截留分子量为30000道尔顿的聚砜超滤膜。
作为比较案例，不在铸膜液中加入分子筛的聚砜超滤膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1).将10g乙二醇、810g二甲基亚砜、150g聚砜按顺序加入容器中45℃下搅拌18小时，搅拌溶解得到分散均匀的铸膜液；
步骤(2).将分散均匀的铸膜液在50℃下静止放置30小时，进行脱泡；
步骤(3).将脱泡后的铸膜液通过相转化法制备成微孔膜；
步骤(4).将微孔膜在水中浸泡25小时进行脱除溶剂处理，得到纯水通量为100L/m2h·0.1兆帕、截留分子量为65000道尔顿的聚砜超滤膜。
由此，制备过程中加入了分子筛，纯水通量从100L/m2h·0.1兆帕提高到980L/m2h·0.1兆帕，截留分子量从65000道尔顿变为30000道尔顿，使得聚砜膜可以截留更多的有机污染物，达到了使水通量和截留同时提高的目的。
实施例4.
步骤(1).将1g乙醇、898g甲基吡咯烷酮、100g聚砜和1g分子筛按顺序加入容器中60℃下搅拌12小时，搅拌溶解得到初步分散均匀的铸膜液；其中分子筛为M型高硅型沸石分子筛，平均粒径为700纳米、平均微孔通道直径为1纳米；
步骤(2).将初步分散均匀的铸膜液在60℃下静止放置24小时，进行脱泡；
步骤(3).将脱泡后的铸膜液在频率为50千赫兹、温度为90℃的超声场中作用3小时，得到分子筛分散均匀的铸膜液；
步骤(4).将分子筛分散均匀的铸膜液通过相转化法制备成微孔膜；
步骤(5).将微孔膜在水中浸泡36小时进行脱除溶剂处理，得到纯水通量为230L/m2h·0.1兆帕、截留分子量为35000道尔顿的聚砜超滤膜。
作为比较案例，不在铸膜液中加入分子筛的聚砜超滤膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1).将1g乙醇、898g甲基吡咯烷酮、100g聚砜按顺序加入容器中60℃下搅拌12小时，搅拌溶解得到分散均匀的铸膜液；
步骤(2).将分散均匀的铸膜液在60℃下静止放置24小时，进行脱泡；
步骤(3).将脱泡后的铸膜液通过相转化法制备成微孔膜；
步骤(4).将微孔膜在水中浸泡36小时进行脱除溶剂处理，得到纯水通量为70L/m2h·0.1兆帕、截留分子量为75000道尔顿的聚砜超滤膜。
由此，制备过程中加入分子筛，纯水通量由70L/m2h·0.1兆帕提高到230L/m2h·0.1兆帕，截留分子量从75000道尔顿变为35000道尔顿，使得聚砜膜可以截留更多的有机污染物，达到了使水通量和截留同时提高的目的。
实施例5.
步骤(1).将40g乙二醇、40g乙醇、590g二甲基亚砜、300g聚砜和30g分子筛按顺序加入容器中80℃下搅拌6小时，搅拌溶解得到初步分散均匀的铸膜液；其中分子筛为A型分子筛，平均粒径为1微米、平均微孔通道直径为1.5纳米；
步骤(2).将初步分散均匀的铸膜液在80℃下静止放置18小时，进行脱泡；
步骤(3).将脱泡后的铸膜液在频率为20千赫兹、温度为30℃的超声场中作用5小时，得到分子筛分散均匀的铸膜液；
步骤(4).将分子筛分散均匀的铸膜液通过相转化法制备成微孔膜；
步骤(5).将微孔膜在水中浸泡24小时进行脱除溶剂处理，得到纯水通量为900L/m2h·0.1兆帕、截留分子量为25000道尔顿的聚砜超滤膜。
实施例6.
步骤(1).将5g聚乙二醇、500g二甲基甲酰胺、360g二甲基乙酰胺、120g聚砜和15g分子筛按顺序加入容器中40℃下搅拌20小时，搅拌溶解得到初步分散均匀的铸膜液；其中分子筛为Y型分子筛，平均粒径为2微米、平均微孔通道直径为2纳米；
步骤(2).将初步分散均匀的铸膜液在70℃下静止放置20小时，进行脱泡；
步骤(3).将脱泡后的铸膜液在频率为30千赫兹、温度为25℃的超声场中作用4小时，得到分子筛分散均匀的铸膜液；
步骤(4).将分子筛分散均匀的铸膜液通过相转化法制备成微孔膜；
步骤(5).将微孔膜在水中浸泡36小时进行脱除溶剂处理，得到纯水通量为600L/m2h·0.1兆帕、截留分子量为45000道尔顿的聚砜超滤膜。
实施例7.
步骤(1).将3g聚乙二醇、3g聚乙烯吡咯烷酮、400g二甲基亚砜、400g甲基吡咯烷酮、190g聚砜和4g分子筛按顺序加入容器中50℃下搅拌18小时，搅拌溶解得到初步分散均匀的铸膜液；其中分子筛为M型高硅型沸石分子筛，平均粒径为500纳米、平均微孔通道直径为0.8纳米；
步骤(2).将初步分散均匀的铸膜液在50℃下静止放置24小时，进行脱泡；
步骤(3).将脱泡后的铸膜液在频率为80千赫兹、温度为45℃的超声场中作用3小时，得到分子筛分散均匀的铸膜液；
步骤(4).将分子筛分散均匀的铸膜液通过相转化法制备成微孔膜；
步骤(5).将微孔膜在水中浸泡48小时进行脱除溶剂处理，得到纯水通量为350L/m2h·0.1兆帕、截留分子量为20000道尔顿的聚砜超滤膜。
以上各实施例中所使用的聚砜的分子量为50000～80000道尔顿。

Claims (7)

1.一种分子筛改性聚砜超滤膜的制备方法，其特征在于该方法的具体步骤是：
步骤(1).将有机添加剂、溶剂、聚砜和分子筛按顺序加入容器中搅拌溶解，搅拌温度为30～80℃、搅拌时间为6～24小时，得到初步分散均匀的铸膜液；初步分散均匀的铸膜液中按质量百分比计含有机添加剂0.1～8﹪、溶剂59～89.8﹪、聚砜10～30﹪、分子筛0.1～3﹪；
所述的有机添加剂为聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、乙二醇和乙醇中的一种或者任意两种的混合物；
所述的溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜和甲基吡咯烷酮其中的一种或者任意两种的混合物；
步骤(2).将初步分散均匀的铸膜液在30～80℃下静止放置18～36小时，进行脱泡；
步骤(3).将脱泡后的铸膜液在超声场中作用1～5小时，得到分子筛分散均匀的铸膜液；所述超声场的频率为20～100千赫兹，超声场的温度为25～90℃；
步骤(4).将分子筛分散均匀的铸膜液通过相转化法制备成微孔膜；
步骤(5).将微孔膜在水中浸泡至少24小时进行脱除溶剂处理，得到聚砜超滤膜。
2.如权利要求1所述的一种分子筛改性聚砜超滤膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)搅拌溶解过程中搅拌温度为40～60℃、搅拌时间为12～24小时。
3.如权利要求1所述的一种分子筛改性聚砜超滤膜的制备方法，其特征在于：所述的聚砜的分子量为50000～80000道尔顿。
4.如权利要求1所述的一种分子筛改性聚砜超滤膜的制备方法，其特征在于：所述的分子筛为A型分子筛、X型分子筛、Y型分子筛、M型高硅型沸石分子筛中的一种，分子筛的平均粒径为10纳米～2微米，分子筛的平均微孔通道直径为0.3～2纳米。
5.如权利要求1所述的一种分子筛改性聚砜超滤膜的制备方法，其特征在于：步骤(2)中脱泡温度为40～60℃。
6.如权利要求1所述的一种分子筛改性聚砜超滤膜的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述超声场的频率为60～100千赫兹，超声场的温度为25～45℃。
7.如权利要求1所述的一种分子筛改性聚砜超滤膜的制备方法，其特征在于：所述分子筛的平均粒径为300纳米～700纳米，分子筛的平均微孔通道直径为0.5～1纳米。
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