CN102755837A

CN102755837A - 一种改善有机纳滤膜分离性能的方法

Info

Publication number: CN102755837A
Application number: CN2012102439724A
Authority: CN
Inventors: 李平; 赵乾
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2012-07-16
Filing date: 2012-07-16
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2032-07-16
Also published as: CN102755837B

Abstract

本发明涉及一种改善有机纳滤膜分离性能的方法，属于膜分离技术领域。针对现有膜分离技术中存在的局限性，本发明利用金属纳米粒子的光热效应提供了一种改善有机纳滤膜分离性能的方法，在过滤的同时用激光照射纳米无机—有机复合纳滤膜的上表面，激光发射端和纳米无机—有机复合纳滤膜上表面之间的过滤装置的部件选用透明材质，以保证激光能透过过滤装置照射在纳米无机—有机复合纳滤膜的上表面。本发明所涉及的膜的分离性能的改善是由膜温度升高引起的，而不是源于任何一种膜的改性或膜孔的形成，使有机纳滤膜在截留率无明显变化的情况下，膜通量得到大大提高，克服膜通量和截留率的“逆向效应”。

Description

一种改善有机纳滤膜分离性能的方法

技术领域

本发明涉及一种改善有机纳滤膜分离性能的方法，属于膜分离技术领域。

背景技术

膜分离技术是材料、化工和过程工程等诸多学科交叉结合、相互渗透而产生的新兴学科，是解决当代能源、资源和环境问题的重要高新技术。而纳米无机—有机复合膜在膜分离技术中的应用尤显突出。由于纳米粒子具有比表面积大、表面活性原子处于高度活化状态、与聚合物的界面相互作用强等特性，采用无机纳米粒子作为增强相，使其均匀分散在有机主体相中，可以提高与基体的界面粘结，使应力更好地传递给无机粒子，提高复合膜的渗透性，同时增加膜的柔韧性和使用寿命，降低成本。

贵金属纳米粒子因为其独特的由表面等离子体共振诱导的光学性质和诸多潜在应用而受到社会广泛的关注。如纳米银和纳米金等材料，可以吸收光能并将之有效地转化为热能。在光线的照射下，金属纳米粒子中的导电电子在一个共振频率下发生机体震荡，引发表面等离子体，当表面等离子体与入射光频率一致，就会产生强烈的光吸收和共振频率附近的散射，并且诱导了纳米粒子表面的强烈的场加强。等离子加热现已应用于成像、感应、药物释放和肿瘤消除。

在膜技术中，能够做到增加膜的水通量而不降低其选择性是很难的。通常分离膜的截留率越高，或截留分子量越低，膜的通量越低。由于温度影响溶剂粘度、扩散系数和聚合物链的流动性以及膜孔尺寸大小，因此一般通过提高料液温度来增大膜的渗透通量，但通常截留率随膜渗透通量的升高而有所降低。此外，在有些情况下，加热进料虽然简单但实际不可行，如大规模的水净化过程和海水脱盐过程；而且对于一些不耐热的化合物（蛋白质等）也是不可行的。

在专利CN101623605A中涉及到一种高通量高截留率海绵状聚偏氟乙烯的制备方法，对传统聚偏氟乙烯膜而言，截留率和膜通量得到同时提高，但仍局限于改变膜材料和膜结构的传统方法来提高膜通量或截留率，未充分发掘膜分离性能的提升空间。在专利CN1287381A中涉及到一种激光热处理用光学系统和激光热处理装置，阐述了光热处理系统的原理并将其应用于半导体膜材料，但未涉及将光热效应用于膜分离技术。

发明内容

针对现有膜分离技术中存在的局限性，本发明利用金属纳米粒子的光热效应提供了一种改善有机纳滤膜分离性能的方法，使有机纳滤膜在截留率无明显变化的情况下，膜通量得到大大提高，克服膜通量和截留率的“逆向效应”。

本发明的技术方案：

一种改善有机纳滤膜分离性能的方法，包括以下操作步骤：

（1）采用具有光热效应的纳米金属粒子制备纳米无机—有机复合纳滤膜；

（2）将纳米无机—有机复合纳滤膜置于需要过滤的料液中浸泡；

（3）安装过滤装置，用激光照射纳米无机—有机复合纳滤膜的上表面，调节激光强度，开始过滤；

激光发射端和纳米无机—有机复合纳滤膜上表面之间的过滤装置的部件选用透明材质，以保证激光能透过过滤装置照射在纳米无机—有机复合纳滤膜的上表面。

上述的一种改善有机纳滤膜分离性能的方法中，激光强度是根据所需的纳米无机—有机复合纳滤膜的温度来确定的；通过改变激光功率和激光束发射点与膜表面的距离进行调节。所述纳米无机—有机复合纳滤膜的温度，不能超过其自身的最高耐受温度，且不能超过料液的最高耐受温度。虽然激光只针对膜加热，料液的温度基本不变，但是在料液通过膜的时候会受到膜的温度的影响，因此要考虑料液的耐受温度。

上述的一种改善有机纳滤膜分离性能的方法中，所述激光优选为氩离子激光，氩离激光强度优选为0.1~2.5W/cm²。

上述的一种改善有机纳滤膜分离性能的方法中，所述激光发射端优选位于纳米无机—有机复合纳滤膜上表面的正上方；所述激光的波长优选与纳米无机—有机复合纳滤膜中纳米金属粒子表面的等离子共振效应吸收波长一致。

上述的一种改善有机纳滤膜分离性能的方法中，所述纳米无机—有机复合纳滤膜优选为醋酸纤维素类或聚酰胺类；所述纳米金属粒子优选为金或银纳米粒子。

上述的一种改善有机纳滤膜分离性能的方法中，所述金属粒子的含量优选为0.1~0.5wt%；所述金属粒子的尺寸优选为10~100nm。

上述的一种改善有机纳滤膜分离性能的方法中，纳米无机—有机复合纳滤膜在需要过滤的料液中的浸泡时间优选为24小时以上。

本发明的有益效果：

利用金属纳米粒子的光热效应对纳米无机—有机复合纳滤膜加热，实现了在料液温度不升高的情况下单独对膜加热。膜温度的升高会降低过滤分子和膜聚合物链之间的摩擦力，因此，膜的渗透通量会随温度的升高而增大。当所需过滤的料液为有机溶液时，渗透通量的增大尤为明显。实施例表明，采用激光加热的膜的渗透通量最高可达未加热膜的渗透容量的3倍之多。由于只对纳米无机—有机复合纳滤膜加热而料液温度没有升高，因此料液的粘度、扩散系数没有变化；所以截留率（主要在于膜表面孔的截留、低亲和性或静电排斥）随着纳滤膜温度的升高基本无变化。本发明所涉及的膜的分离性能的改善是由膜温度升高引起的，而不是源于任何一种膜的改性或膜孔的形成，因为当停止激光辐射时，膜通量会恢复到未进行激光辐射时的水平，充分体现了本发明的应用灵活性和对膜的稳定性。尤其对热容低、导热系数低的溶剂和低通量的膜，具有重要意义的应用价值。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明所涉及的纳米无机—有机复合纳滤膜可根据现有文献等材料中公开的方法进行制备，属于现有技术，在此不再赘述。此外在每种料液过滤前，需将膜浸在该种料液中，使膜达到湿膜可用状态。激光加热时，纳米无机—有机复合纳滤膜的温度不超过其使用温度（膜材料的耐受温度）。

实施例1

采用的料液为：纯水、异丙醇、溴百里酚蓝乙醇溶液。在玻璃过滤装置中，将金含量为0.44wt%、纳米金的尺寸为20-30nm的纳米无机—醋酸纤维素复合纳滤平板湿膜附于绝缘表面上，用密封圈密封。过滤装置顶部设有一透明玻璃窗，使连续的氩离子激光束（波长为514nm）照射在膜上表面。通过调整激光的功率和激光束发射端与膜表面的距离，将激光强度调整为0.2W/cm²，使膜的温度达到42℃。测得水通量平均值为0.38（Lm^-2bar^-1h^-1），异丙醇的通量平均值为0.30（Lm^-2bar^-1h^-1），对溴百里酚蓝（BTB，35微米，632g/mol）的截留率平均值为80.5%。

未用激光照射时水通量平均值为0.32（Lm^-2bar^-1h^-1），异丙醇的通量平均值为0.08（Lm^-2bar^-1h^-1，对溴百里酚蓝的截留率为80.5%。

实施例2

采用的料液为异丙醇、溴百里酚蓝乙醇溶液。在玻璃过滤装置中，将银含量为0.1wt%，纳米银的尺寸为70-80nm的纳米银—聚酰亚胺纳滤平板膜附于绝缘表面上，用氟橡胶O型密封圈密封。装置顶部设有一透明玻璃窗，可通过镜面反射使连续的氩离子激光束（波长为425nm）照射在膜表面上。通过调整不同的功率和激光束通过透镜与膜表面的不同距离，将激光强度调整为0.13W/cm²，使膜达到36℃。测得异丙醇的通量为0.25（Lm^-2bar^-1h^-1）。对溴百里酚蓝（BTB，35微米，632g/mol）的截留率平均值为82.7%。

未用激光照射时异丙醇的通量为0.21（Lm^-2bar^-1h^-1）。对溴百里酚蓝的截留率平均值为82.7%。

实施例3

采用的料液为异丙醇、溴百里酚蓝乙醇溶液。在特定的玻璃过滤装置中，将金含量为0.2wt%，纳米金的尺寸为20-30nm的纳米金—聚酰亚胺复合纳滤平板膜附于绝缘表面上，用氟橡胶O型密封圈密封。装置顶部设有一透明玻璃窗，可通过镜面反射使连续的氩离子激光束（波长为514nm）照射在膜表面上。通过调整不同的功率和激光束通过透镜与膜表面的不同距离，将激光强度调整为0.16W/cm²，使膜达到40℃。测得异丙醇的通量为0.28（Lm^-2bar^-1h^-1），对溴百里酚蓝（BTB，35微米，632g/mol）的截留率平均值为84.3%。

未用激光照射时异丙醇的通量为0.22（Lm^-2bar^-1h^-1），对溴百里酚蓝的截留率平均值为84.3%。

实施例4

采用的料液为异丙醇、溴百里酚蓝乙醇溶液。在特定的玻璃过滤装置中，将银含量为0.4wt%，纳米银的尺寸为26-36nm的的聚酰亚胺纳滤平板湿膜附于绝缘表面上，用氟橡胶O型密封圈密封。装置顶部设有一透明玻璃窗，可通过镜面反射使连续的氩离子激光束（波长为425nm）照射在膜表面上。通过调整不同的功率和激光束通过透镜与膜表面的不同距离，将激光强度调整为0.22W/cm²，使膜达到40℃。测得异丙醇的通量为0.92（Lm^-2bar^-1h^-1），对溴百里酚蓝（BTB，35微米，632g/mol）的截留率为72.4%。

未用激光照射时异丙醇的通量为0.69（Lm^-2bar^-1h^-1），对溴百里酚蓝的截留率为72.7%。

Claims

1.一种改善有机纳滤膜分离性能的方法，其特征在于，包括以下操作步骤：

（3）安装过滤装置，用激光照射纳米无机—有机复合纳滤膜的上表面，调节激光的波长、强度，开始过滤；

激光发射端和纳米无机—有机复合纳滤膜上表面之间的过滤装置的部件选用透明材质。

2.根据权利要求1所述的改善有机纳滤膜分离性能的方法，其特征在于，所述激光为氩离子激光，氩离激光强度为0.1~2.5W/cm²。

3.根据权利要求1或2所述的改善有机纳滤膜分离性能的方法，其特征在于，所述激光发射端位于纳米无机—有机复合纳滤膜上表面的正上方；所述激光的波长与纳米无机—有机复合纳滤膜中纳米金属粒子表面的等离子共振效应吸收波长一致。

4.根据权利要求1所述的改善有机纳滤膜分离性能的方法，其特征在于，所述纳米无机—有机复合纳滤膜为醋酸纤维素类或聚酰胺类；所述纳米金属粒子为金或银纳米粒子。

5.根据权利要求1或4所述的改善有机纳滤膜分离性能的方法，其特征在于，所述金属粒子的含量为0.1~0.5wt%；所述金属粒子的尺寸为10~100nm。

6.根据权利要求1所述的改善有机纳滤膜分离性能的方法，其特征在于，纳米无机—有机复合纳滤膜在需要过滤的料液中的浸泡时间为24小时以上。