CN103551049B - 一种基于天然纤维素聚电解质的层层自组装复合纳滤膜及制备方法 - Google Patents

一种基于天然纤维素聚电解质的层层自组装复合纳滤膜及制备方法 Download PDF

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一种基于天然纤维素聚电解质的层层自组装复合纳滤膜及制备方法，属于膜分离技术领域。首先采用超滤膜作为制备复合纳滤膜的基膜，对其表面进行化学改性，使其表面具有荷电性，以便与聚电解质发生静电作用；然后通过交替沉积阴阳聚电解质，通过静电层层自组装方法来制备得到复合纳滤膜。本发明所采用的阳离子聚电解质为天然纤维素聚电解质，相比于现使用的合成聚电解质，天然纤维素聚电解质成本较低，为环境友好型资源，并且所制得的含有天然纤维素的复合纳滤膜层有很好的亲水性和荷电性，使得膜表面具有良好的抗污染性能，并且对Ni2+等二价金属离子及二甲基酚橙、罗丹明B等染料分子具有良好的截留性能。

Description

一种基于天然纤维素聚电解质的层层自组装复合纳滤膜及制备方法
技术领域
本发明属于膜分离技术领域，涉及一种天然纤维素聚电解质复合纳滤膜及制备方法。
背景技术
纳滤(NF)膜是一种介于超滤(UF)膜和反渗透(RO)膜之间的压力驱动膜，于20世纪80年代初期发展开来。因具有特殊的荷电性能和膜孔径分布，纳滤膜在不同价态离子分离和小分子有机物分离方面展示了其独特的优势。
目前普遍采用复合法以制备具有大通量、高截留性能的复合纳滤膜。具体制备方法主要包括涂覆法(如公开号CN101879416A的专利)、界面聚合法(如公开号CN102580585A，CN103007791A的专利)、化学气相沉淀法(如公开号CN103212305A的专利)、中空纤维纺丝法(如公开号CN102091539A的专利)等。
层层自组装技术是近年来迅速发展起来的一种重要的超薄膜制备技术，利用聚电解质分子或其他带电物质在基膜表面上交替沉积作为超薄的分离层，最终制备得到复合纳滤膜。这种方法具有设备简单、快捷成本低、可控性强以及基膜选择性丰富等优点。如公开号CN101053780A的专利选用聚醚砜或聚砜超滤膜为基膜，利用层层静电自组装工艺在基膜表面交替组装10～20多层聚电解质多层膜，最终得到复合纳滤膜。
近些年来，聚电解质层层自组装复合纳滤膜的制备已经得到广泛应用。聚电解质(Polyelectrolyte)，是一类带有阴离子或阳离子、易溶于水、在水溶液中能电离为带电荷大分子聚离子（polyion）和带相反电荷小分子抗衡离子的高分子化合物，其兼有高分子长链和小分子电解质电离的双重结构特征。聚电解质从来源上可分为合成聚电解质和天然聚电解质。目前利用层层自组装制备复合纳滤膜所采用的合成聚电解质材料种类繁多，主要有聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDDA）(如公开号CN102580550A的专利)，聚乙烯亚胺（PEI）(如公开号CN103223308A的专利)，聚苯乙烯磺酸盐（PSS）(如公开号CN101053780A的专利)，聚丙烯酸钠（PAA）(如公开号CN102553461A的专利)等。如公开号CN103223302A的专利利用聚阳离子电解质(PEI)与聚阴离子电解质(PAA)发生静电作用，通过自组装的方法制得聚电解质复合膜，并与二醛类试剂发生交联作用，增强了复合膜的耐水性、耐溶剂型和强度。天然高分子聚电解质主要有核酸，蛋白质，以及海藻酸盐，壳聚糖，纤维素磺酸盐等，它们都来源于自然界的多糖类物质，也是制备静电层层自组装膜的理想材料。其中天然纤维素聚电解质原料来源广泛，数量丰富，具有良好的成膜性、良好的生物相容性，以及环境友好性等优点。如公开号CN1481907A的专利利用刮膜法发明了一种多价离子交联的羧甲基壳聚糖/羧甲基纤维素复合放手术粘连膜，该膜属于医用材料科学领域，就是利用了二者的生物相容性，有助于手术创伤恢复。如公开号CN102440979A的专利使用羧甲基纤维、羟丙基纤维素或羟丙甲基纤维素等纤维素亲水性衍生物通过涂布或流延铺平的方法制备出一种纤维素衍生物透皮复合膜，该膜具有良好的透光性、溶胀性和通透性，也是利用了纤维素其生物相容性和安全性的优势。
但通过文献查阅可知，目前使用天然纤维素聚电解质制备复合分离膜目前大多采用涂敷，化学交联等方法。如公开号CN101698140A的专利采用将阴离子聚电解质羧甲基纤维素钠与阳离子聚电解质混合而成的铸膜液刮于聚丙烯腈多孔膜上的方法，制备得到羧甲基纤维素钠/阳离子聚电解质复合物分离膜，用于渗透汽化中，对异丙醇-水混合体系具有较好的脱水性能及高通量。如公开号CN101879416A的专利是通过离子液体将纤维素或其非离子型衍生物溶解，得到制膜液，再以无纺布作为支撑层，通过涂敷法制得复合纳滤膜，其通量大，其最优实施例对亮蓝、刚果红、甲基橙等染料分子脱出率均高于90%。又如公开号CN1762559A的专利通过纺丝法制得一种高取代度氰乙基纤维素与二醋酸纤维素共混中空纤维素钠滤膜，其水通量大于3.5mL/(cm2·h)，二价盐脱盐率高于90%。
综上文献查阅可知，目前通过聚电解质静电层层自组装技术来制备天然纤维素聚电解质复合纳滤膜这一方法尚未发现相关报导。
发明内容
本发明的目的是提供一种阴离子聚电解质为天然纤维素聚电解质制备得到的复合纳滤膜。
天然纤维素聚电解质复合纳滤膜的制备步骤如下：
(1)将基膜预处理，使其表面具有荷负电性：以超滤膜为基膜，使用1.0～4.0mol/L的氢氧化钠溶液在30℃下对该基膜处理30～90min，然后用去离子水冲洗至pH值为7；
(2)聚电解质溶液配制：将阳离子聚电解质及阴离子天然纤维素聚电解质分别溶解于去离子水中，配置成溶度为1.0～10.0g/L的阳离子聚电解质溶液和阴离子天然纤维素聚电解质溶液，其中，阴离子天然纤维素聚电解质溶液配制时，应在搅拌状态下缓慢加入天然纤维素聚电解质，防止其聚集成团，阻碍溶解，待搅拌均匀后，再静置12～24h脱泡，使其溶解充分。
(3)自组装复合层：将步骤(1)中处理后带负电荷的基膜在温度为30℃条件下，浸渍于步骤(2)配制的阳离子聚电解质溶液中5～30min，然后将基膜取出，用去离子水冲洗掉膜表面多余的阳离子聚电解质溶液；随后将膜在温度为30℃条件下，浸渍于步骤(2)配制的阴离子天然纤维素聚电解质溶液中5～30min，后将基膜取出，用去离子水冲洗掉表面多余的阴离子天然纤维素聚电解质溶液，使得阳离子聚电解质与阴离子天然纤维素聚电解质通过静电作用组装在基膜上，从而形成一个双层的聚电解质复合膜；
(4)重复步骤(3)的操作1～8次后，放入恒温干燥箱中30℃下烘干，得到天然纤维素聚电解质复合纳滤膜。
所述的超滤膜包括聚砜超滤膜、醋酸纤维素超滤膜、聚丙烯腈超滤膜。
所述的阳离子聚电解质选自聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚乙烯基胺(PVA)。
所述的阴离子天然纤维素聚电解质选自羧甲基纤维素钠(CMC-Na)、磺酸乙基纤维素(SEC)、纤维素硫酸钠(NaCS)。
本发明具有以下优点：
本发明所使用的阴离子聚电解质为阴离子纤维素醚，是一种天然纤维素聚电解质，成本低廉，降低了制备复合纳滤膜的成本。并且由于其具有生物相容性，使制备的复合纳滤膜对环境绿色无污染。本发明采用聚电解质层层自组装技术，膜层可控，操作简单。本发明所采用的阳离子聚电解质为天然纤维素聚电解质，相比于现使用的合成聚电解质，天然纤维素聚电解质成本较低，为环境友好型资源，并且所制得的含有天然纤维素的复合纳滤膜层有很好的亲水性和荷电性，使得膜表面具有良好的抗污染性能，并且对Ni2+等二价金属离子及二甲基酚橙、罗丹明B等染料分子具有良好的截留性能。
附图说明
图1为本发明实施例4制备的复合纳滤膜不同层数膜表面Zeta电位变化示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不仅限于下述实施方式。
实施例1
(1)将基膜预处理，使其表面具有荷负电性：以聚丙烯腈超滤膜作为基膜，浸渍在2.0mol/L的氢氧化钠溶液中，在30℃下处理90min，将其取出并用去离子水反复冲洗至pH值为7。
(2)聚电解质溶液配制：选取聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)溶于去离子水中，配制成浓度为7.0g/L的阳离子聚电解质溶液。羧甲基纤维素钠(CMC-Na)溶于去离子水中，配制成浓度为1.0g/L的阴离子纤维素聚电解质溶液。其中，阴离子聚电解质溶液配制时，应在搅拌状态下缓慢加入羧甲基纤维素钠(CMC-Na)，防止其聚集成团，阻碍溶解。待搅拌均匀后，再静置24h脱泡，使其溶解充分。
(3)将步骤(1)中处理后带负电荷的聚丙烯腈超滤膜在温度为30℃条件下，浸渍于步骤(2)配制的7.0g/L聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)聚电解质溶液中30min，然后将基膜取出，用去离子水冲洗掉表面多余的聚电解质溶液；随后将基膜在温度为30℃条件下，浸渍于步骤(2)配制的1.0g/L羧甲基纤维素钠(CMC-Na)聚电解质溶液中30min，后将基膜取出，用去离子水冲洗掉表面多余的聚电解质溶液。
(4)重复步骤(3)的操作5次，放入恒温干燥箱中30℃下烘干，得到天然纤维素聚电解质复合纳滤膜。
本实施例所制备得到的纳滤膜在25℃的操作温度及0.6MPa的操作压力下，对500ppmNiCl2的截留率为85.5%，通量为24L/(m2·h)；对1ppm二甲基酚橙染料分子的截留率为99.9%，通量为40L/(m2·h)；对1ppm罗丹明B染料分子的截留率为98.0%，通量为38L/(m2·h)。
实施例2
(1)将基膜预处理，使其表面具有荷负电性：以聚丙烯腈超滤膜作为基膜，浸渍在2.0mol/L的氢氧化钠溶液中，在30℃下处理90min，将其取出并用去离子水反复冲洗至pH值为7。
(2)聚电解质溶液配制：选取聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)溶于去离子水中，配制成浓度为5.0g/L的阳离子聚电解质溶液。羧甲基纤维素钠(CMC-Na)溶于去离子水中，配制成浓度为2.0g/L的阴离子纤维素聚电解质溶液。其中，阴离子聚电解质溶液配制时，应在搅拌状态下缓慢加入羧甲基纤维素钠(CMC-Na)，防止其聚集成团，阻碍溶解。待搅拌均匀后，再静置24h脱泡，使其溶解充分。
(3)将步骤(1)中处理后带负电荷的基膜在温度为30℃条件下，浸渍于步骤(2)配制的5.0g/L聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)聚电解质溶液中20min，然后将基膜取出，用去离子水冲洗掉表面多余的聚电解质溶液；随后将基膜在温度为30℃条件下，浸渍于步骤(2)配制的2.0g/L羧甲基纤维素钠(CMC-Na)聚电解质溶液中20min，后将基膜取出，用去离子水冲洗掉表面多余的聚电解质溶液。
(4)重复步骤(3)的操作5次，放入恒温干燥箱中30℃下烘干，得到天然纤维素聚电解质复合纳滤膜。
本实施例所制备得到的纳滤膜在25℃的操作温度及0.6MPa的操作压力下，对500ppmNiCl2的截留率为83.3%，水通量为37L/(m2·h)；对1ppm二甲基酚橙染料分子的截留率为100.0%，通量为44L/(m2·h)；对1ppm罗丹明B染料分子的截留率为97.3%，通量为41L/(m2·h)。
实施例3
(1)将基膜预处理，使其表面具有荷负电性：以聚丙烯腈超滤膜作为基膜，浸渍在2.0mol/L的氢氧化钠溶液中，在30℃下处理60min，将其取出并用去离子水反复冲洗至pH值为7。
(2)聚电解质溶液配制：选取聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)溶于去离子水中，配制成浓度为5.0g/L的阳离子聚电解质溶液。羧甲基纤维素钠(CMC-Na)溶于去离子水中，配制成浓度为2.0g/L的阴离子纤维素聚电解质溶液。其中，阴离子聚电解质溶液配制时，应在搅拌状态下缓慢加入羧甲基纤维素钠(CMC-Na)，防止其聚集成团，阻碍溶解。待搅拌均匀后，再静置18h脱泡，使其溶解充分。
(3)将步骤(1)中处理后带负电荷的基膜在温度为30℃条件下，浸渍于步骤(2)配制的5.0g/L聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)聚电解质溶液中30min，然后将基膜取出，用去离子水冲洗掉表面多余的聚电解质溶液；随后将基膜在温度为30℃条件下，浸渍于步骤(2)配制的2.0g/L羧甲基纤维素钠(CMC-Na)聚电解质溶液中30min，后将基膜取出，用去离子水冲洗掉表面多余的聚电解质溶液。
(4)重复步骤(3)的操作3次，放入恒温干燥箱中30℃下烘干，得到天然纤维素聚电解质复合纳滤膜。
本实施例所制备得到的纳滤膜在25℃的操作温度及0.6MPa的操作压力下，对500ppmNiCl2的截留率为80.3%，水通量为59L/(m2·h)；对1ppm二甲基酚橙染料分子的截留率为98.4%，通量为101L/(m2·h)；对1ppm罗丹明B染料分子的截留率为95.6%，通量为73L/(m2·h)。
实施例4
(1)将基膜预处理，使其表面具有荷负电性：聚丙烯腈超滤膜作为基膜，浸渍在4.0mol/L的氢氧化钠溶液中，在30℃下处理60min，将其取出并用去离子水反复冲洗至pH值为7。
(2)聚电解质溶液配制：选取聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)溶于去离子水中，配制成浓度为5.0g/L的阳离子聚电解质溶液。羧甲基纤维素钠(CMC-Na)溶于去离子水中，配制成浓度为1.0g/L的阴离子纤维素聚电解质溶液。其中，阴离子聚电解质溶液配制时，应在搅拌状态下缓慢加入羧甲基纤维素钠(CMC-Na)，防止其聚集成团，阻碍溶解。待搅拌均匀后，再静置12h脱泡，使其溶解充分。
(3)将步骤(1)中处理后带负电荷的基膜在温度为30℃条件下，浸渍于步骤(2)配制的5.0g/L聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)聚电解质溶液中20min，然后将基膜取出，用去离子水冲洗掉表面多余的聚电解质溶液；随后将基膜在温度为30℃条件下，浸渍于步骤(2)配制的1.0g/L羧甲基纤维素钠(CMC-Na)聚电解质溶液中20min，后将基膜取出，用去离子水冲洗掉表面多余的聚电解质溶液。
(4)重复步骤(3)的操作5.5次，放入恒温干燥箱中30℃下烘干，得到天然纤维素聚电解质复合纳滤膜。
本实施例所制备得到的纳滤膜在25℃的操作温度及0.6MPa的操作压力下，对500ppmNiCl2的截留率为85.0%，水通量为24L/(m2·h)；对1ppm二甲基酚橙染料分子的截留率为100.0%，通量为22L/(m2·h)；对1ppm罗丹明B染料分子的截留率为99.6%，通量为22L/(m2·h)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于天然纤维素聚电解质的层层自组装复合纳滤膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将基膜预处理，使其表面具有荷负电性：以超滤膜为基膜，使用1.0～4.0mol/L的氢氧化钠溶液在30℃下对该基膜处理30～90min，然后用去离子水冲洗至pH值为7；
(2)聚电解质溶液配制：将阳离子聚电解质及阴离子天然纤维素聚电解质分别溶解于去离子水中，配置成溶度为1.0～10.0g/L的阳离子聚电解质溶液和阴离子天然纤维素聚电解质溶液，其中，阴离子天然纤维素聚电解质溶液配制时，应在搅拌状态下缓慢加入天然纤维素聚电解质，防止其聚集成团，阻碍溶解，待搅拌均匀后，再静置12～24h脱泡，使其溶解充分；
(3)自组装复合层：将步骤(1)中处理后带负电荷的基膜在温度为30℃条件下，浸渍于步骤(2)配制的阳离子聚电解质溶液中5～30min，然后将基膜取出，用去离子水冲洗掉膜表面多余的阳离子聚电解质溶液；随后将膜在温度为30℃条件下，浸渍于步骤(2)配制的阴离子天然纤维素聚电解质溶液中5～30min，后将基膜取出，用去离子水冲洗掉表面多余的阴离子天然纤维素聚电解质溶液，使得阳离子聚电解质与阴离子天然纤维素聚电解质通过静电作用组装在基膜上，从而形成一个双层的聚电解质复合膜；
(4)重复步骤(3)的操作1～8次后，放入恒温干燥箱中30℃下烘干，得到天然纤维素聚电解质复合纳滤膜；
所述的阴离子天然纤维素聚电解质选自羧甲基纤维素钠(CMC-Na)、磺酸乙基纤维素(SEC)、纤维素硫酸钠(NaCS)。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述的超滤膜选自聚砜超滤膜、醋酸纤维素超滤膜、聚丙烯腈超滤膜。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述的阳离子聚电解质选自聚二甲基二烯丙基氯化铵、聚乙烯亚胺、聚乙烯基胺。
4.按照权利要求1-3任一方法制备得到的基于天然纤维素聚电解质的层层自组装复合纳滤膜。
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