CN103752184B - 一种无机-有机复合的超滤膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无机-有机复合超滤膜及其制备方法，具体讲是将造孔剂吸附于进行表面活化处理的具有天然纳米滤孔的硅藻土中，然后加入到有机的基模材料的溶解液中混合制成铸膜液，再进行搅拌和真空脱泡，最后经过流延刮膜，浸入凝胶浴中成膜，制成孔径分布范围10-50nm，在0.5Mpa的操作条件下水通量为250-350L/m³·h的超滤膜，该超滤膜不仅具有无机超滤膜的优秀的耐污染、亲水性好、寿命长的特点，还具有有机超滤膜的韧性好，易成型的优点，具有广泛的应用价值。

Description

一种无机-有机复合的超滤膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种膜分离领域，具体涉及一种无机-有机复合的超滤膜及其制备方法。

背景技术

超滤技术是一种膜滤法，超滤是一种以静压差为推动力，根据相对分子质量的不同来进行分离的膜技术，其原理是在常温下以一定压力和流量，利用不对称微孔结构和半透膜介质，以膜两侧的压差为动力的一种新型膜分离技术超滤膜特有的0.01 ～ 0.1um 孔径可有效阻留细菌，大多数病毒， 胶体以及淤泥，从而达到分离、分级、纯化、浓缩目的超滤过程因无相变，分离系数大，操作温度在室温上下，操作简便和设备较简单等特点，目前在工业及生活领域已获得广泛应用，用于分离、浓缩、纯化生物制品，医药制品以及食品工业中，还用于血液处理 海水淡化( RO) 废水处理，饮用水净化和超纯水制备中的终端处理装置。在我国已成功地利用超滤膜进行了中草药的浓缩提纯，超滤膜随着技术的进步， 其筛选功能必将得到改进和加强。

超滤膜可分为有机超滤膜、无机超滤膜和复合超滤膜三大类。常用的有机超滤膜材料有纤维素类、聚砜类、聚氯乙烯、聚丙烯腈 (PAN)、聚偏氟乙烯 (PVDF)、聚醚酮 (PEK)、聚酰亚胺 (PI) 等工程高分子材料，但这类的有机超滤膜存在不耐污染、不耐高温、不耐腐蚀、寿命短和强度差的缺陷，通常需要将制得的有机超滤膜进一步进行各种改性处理，来提高其性能，这样即增加了生产成本和生产周期，也不能从根本上解决有机超滤膜的这些缺陷；常用的无机超滤膜材料很多，如陶瓷、金属、玻璃、硅酸盐、沸石及炭素等，但这类的无机超滤膜一般存在没弹性，较脆，不易加工成型的缺点，从而限制了无机超滤膜的应用和发展；而复合超滤膜是将有机和无机超滤膜材料有效的复合在一起制成的超滤膜，使有机超滤膜和无机超滤膜的优点和缺点互补，克服了有机和无机超滤膜的各种缺点，使超滤膜满足人们在各领域对超滤膜的需要，是超滤膜今后发展的主要方向。                                                                                                                                                                                                          

中国专利公开号CN102166482A公开了一种纳米功能化高分子超滤膜的制备方法，该方法是将预先制备的无机纳米溶胶加入到成膜高分子与成孔添加剂完全溶解后的溶液中，搅拌混合均匀，直接纺丝或者流延刮膜，再浸入凝胶浴成膜。该方法将无机纳米材料与高分子基膜材料结合在一起制成超滤膜，提高了超滤膜的亲水性和抗污染能力，但由于加入的无机纳米材料是实心的颗粒，粒径与制得的超滤膜孔径相近，会造成无机纳米颗粒堵塞超滤膜的孔道，造成水通量的减小。

中国专利公开号CN102294180A公开了一种纳米TiO2改性PVDF超滤膜的制备方法，该方法将PVDF、致孔剂、纳米TiO2、表面活性剂、溶剂配成制膜液，将制膜液超声波振荡搅拌后，进行抽滤，脱泡；用刮膜机刮成液膜，然后浸入凝固浴中，液膜凝固成超滤膜。该方法有效的提高了PVDF超滤膜的亲水性，大大降低能耗，但颗粒直径与超滤膜孔径相近的实心的纳米TiO2颗粒的加入造成超滤膜的孔道堵塞，超滤膜水通量的减小。

中国专利公开号CN103394294A公开了一种表面负载TiO2薄膜的高性能PVDF复合超滤膜的制备方法，该发明将用基膜材料PVDF制成的超滤膜浸没在二氧化钛前驱体溶液中，使前驱体水解，取出用水冲洗，即得表面牢固负载TiO2薄膜的高性能超滤膜，该方法所得超滤膜亲水性强，抗污染性突出，但TiO2的使用，由于其与超滤膜孔道相近的粒径和为实心颗粒的因素，造成超滤膜孔道的堵塞，反而使得超滤的水通量下降。

目前无机和有机相结合制备超滤膜的专利中大部分都是使用的亲水性很强的无机纳米实心颗粒，该无机纳米颗粒的加入能有效的改善超滤的亲水性和耐污染性，但由于无机纳米颗粒与超滤膜孔道相近的粒径和为实心颗粒的因素，造成超滤膜孔道的堵塞，反而使得超滤的水通量下降，因而，发明一种不仅能有效改善有机超滤膜亲水性和耐污染性，而且不会影响超滤膜水通量的无机与有机相结合的超滤膜是必要的。

发明内容

针对目前使用无机材料改进有机超滤膜亲水性和耐污染性造成超滤膜水通量降低的缺陷，提出了一种无机-有机复合的超滤膜及其制备方法，为实现上述目的，本发明将造孔剂吸附于进行表面活化处理的具有天然纳米滤孔的硅藻土中，然后加入到有机的基模材料的溶解液中混合制成铸膜液，再进行搅拌和真空脱泡，最后经过流延刮膜，浸入凝胶浴中成膜，制成孔径分布范围10-50nm，在0.5Mpa的操作条件下水通量为250-350L/m³·h，对细菌的截留率大于95%的超滤膜，该超滤膜不仅具有无机超滤膜的优秀的耐污染、亲水性好、寿命长的特点，还具有有机超滤膜的韧性好，易成型的优点。

本发明一种无机-有机复合的超滤膜及其制备方法，其特征在于其各组分按重量份计为：

 基膜材料            10-20份，

 表面活性剂           5-10份，

造孔剂                1-3份，

  硅藻土               10-20份，

  增稠剂                 2-3份，

  溶剂                 60-80份，

其中所述的基膜材料为纤维素类、聚砜类、聚氯乙烯、聚丙烯腈 (PAN)、聚偏氟乙烯 (PVDF)、聚醚酮 (PEK)、聚酰亚胺 (PI)中的一种；所述的表面活性剂为聚乙二醇、三乙醇胺、丙三醇中的一种或多种；所述的造孔剂为乙醇、乙二醇中的一种或多种；所述的硅藻土为使用质量分数10%的盐酸浸泡处理过的超声波震荡水洗的硅藻土，滤孔保持完好，二氧化硅含量大于95%，细度1000-2000目；所述的增稠剂为羟乙基纤维素、聚丙烯酸酯、聚氨酯中的一种或多种；所述的溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰按、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜中的一种或多种。

本发明一种无机-有机复合的超滤膜的具体制备步骤如下：

1) 将10-20重量份的使用质量分数10%的盐酸浸泡处理过的超声波震荡水洗的硅藻土用5-10重量份表面活化剂活化处理1-2h，使羟基接枝到硅藻土表面，增加硅藻土的活性和亲水性，过滤、干燥后再将1-3重量份造孔剂加入到活化处理后的硅藻土中，搅拌10-20min，使造孔剂吸附于硅藻土的孔隙中；

2）将10-20重量份的基膜材料溶解在60-80重量份的溶剂中形成基膜液，再将步骤1)得到的硅藻土加入到基膜液中，边搅拌边加入2-3重量份增稠剂，增加基膜液的粘度，使硅藻土在基膜液中不易沉降，分散均匀，形成铸膜液；

3）将步骤2）得到的铸膜液进行机械搅拌和真空脱泡，然后在玻璃板上经过流延刮膜，自然风干40-60s，浸入50-60℃凝胶浴中，使吸附于硅藻土中的造孔剂快速挥发出来，在膜的表面形成与硅藻土天然滤孔一致的孔洞，通过凝胶固化成膜，得到无机-有机复合的超滤膜。

本发明将具有的天然纳米滤孔的硅藻土在保持其滤孔畅通的条件下与有机基膜材料结合在一起制成无机-有机相结合的超滤膜；不仅利用表面活化剂的活化作用把硅藻土活化处理，增加了硅藻土表面的烃基数量，一方面增加了硅藻土的亲水性，另一方面硅藻土表面的羟基与有机基膜材料中的氢原子形成氢键，硅藻土与基膜材料相容性优异；还利用硅藻土的吸附功能将造孔剂吸附在硅藻土中，在最后凝胶固化成膜的时候借用凝胶浴的温度使造孔剂快速挥发出来，在膜的表面形成与硅藻土天然滤孔一致的孔洞，保证了超滤膜的孔隙滤和孔隙直径，制成的超滤膜孔径分布范围10 – 50nm，在0.3Mpa的操作条件下水通量为250-350L/m³·h，对细菌的截留率大于95%的超滤膜，该超滤膜不仅具有无机超滤膜的耐污染、亲水性强、寿命长、水通量大的特点，还具有有机超滤膜的韧性好，易成型的优点。

本发明突出的特点在于：

1、本发明把硅藻土用表面活性剂处理，增加了硅藻土表面的烃基数量，不仅增加了硅藻土的亲水性，并且硅藻土表面的羟基与有机基膜材料中的氢原子形成氢键，硅藻土与基膜材料相容性优异，制得的超滤膜具有了耐污染、亲水性强、韧性好、寿命长的优点。

2、本发明利用硅藻土的吸附功能将造孔剂吸附在硅藻土中，在最后凝胶固化成膜的时候借用凝胶浴的温度使造孔剂快速挥发出来，在膜的表面形成与硅藻土天然滤孔一致的孔洞，保证了超滤膜的孔隙滤和孔隙直径，制得的超滤膜孔径分布范围10-50nm，在0.5Mpa的操作条件下水通量为250-350L/m³·h、对细菌的截留率大于95%。

3、本发明生产过程简单，生产成本较低，操作方便，易于工业化生产。

本发明生产工艺流程见说明书附图1。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。

实施例1

1) 将15重量份的使用质量分数10%的盐酸浸泡处理过的超声波震荡水洗的硅藻土用10重量份聚乙二醇活化处理1-2h，使羟基接枝到硅藻土表面，增加硅藻土的活性和亲水性，过滤、干燥后再将1重量份乙醇加入到活化处理后的硅藻土中，搅拌10min，使乙醇吸附于硅藻土的孔隙中；

2）将10重量份的聚氯乙烯基膜材料溶解在60重量份的二甲基甲酰胺中形成基膜液，再将步骤1)得到的硅藻土加入到基膜液中，边搅拌边加入2重量份羟乙基纤维素，增加基膜液的粘度，使硅藻土在基膜液中不易沉降，分散均匀，形成铸膜液；

3）将步骤2）得到的铸膜液进行机械搅拌和真空脱泡，然后在玻璃板上经过流延刮膜，自然风干40s，浸入50℃凝胶浴中，使吸附于硅藻土中的乙醇快速挥发出来，在膜的表面形成与硅藻土天然滤孔一致的孔洞，通过凝胶固化成膜，得到无机-有机复合的超滤膜。

实施例2

1) 将10重量份的使用质量分数10%的盐酸浸泡处理过的超声波震荡水洗的硅藻土用5重量份三乙醇胺活化处理1.5h，使羟基接枝到硅藻土表面，增加硅藻土的活性和亲水性，过滤、干燥后再将2重量份乙醇加入到活化处理后的硅藻土中，搅拌15min，使乙醇吸附于硅藻土的孔隙中；

2）将15重量份的聚丙烯晴基膜材料溶解在70重量份的二甲基乙酰按中形成基膜液，再将步骤1)得到的硅藻土加入到基膜液中，边搅拌边加入2-3重量份聚丙烯酸酯，增加基膜液的粘度，使硅藻土在基膜液中不易沉降，分散均匀，形成铸膜液；

3）将步骤2）得到的铸膜液进行机械搅拌和真空脱泡，然后在玻璃板上经过流延刮膜，自然风干50s，浸入55℃凝胶浴中，使吸附于硅藻土中的乙醇快速挥发出来，在膜的表面形成与硅藻土天然滤孔一致的孔洞，通过凝胶固化成膜，得到无机-有机复合的超滤膜。

实施例3

1) 将15重量份的使用质量分数10%的盐酸浸泡处理过的超声波震荡水洗的硅藻土用8重量份丙三醇活化处理2h，使羟基接枝到硅藻土表面，增加硅藻土的活性和亲水性，过滤、干燥后再将3重量份乙二醇加入到活化处理后的硅藻土中，搅拌20min，使乙二醇吸附于硅藻土的孔隙中；

2）将20重量份的聚醚酮基膜材料溶解在80重量份的N-甲基吡咯烷酮中形成基膜液，再将步骤1)得到的硅藻土加入到基膜液中，边搅拌边加入3重量份聚氨酯，增加基膜液的粘度，使硅藻土在基膜液中不易沉降，分散均匀，形成铸膜液；

3）将步骤2）得到的铸膜液进行机械搅拌和真空脱泡，然后在玻璃板上经过流延刮膜，自然风干60s，浸入60℃凝胶浴中，使吸附于硅藻土中的乙二醇快速挥发出来，在膜的表面形成与硅藻土天然滤孔一致的孔洞，通过凝胶固化成膜，得到无机-有机复合的超滤膜。

实施例4

1) 将20重量份的使用质量分数10%的盐酸浸泡处理过的超声波震荡水洗的硅藻土用10重量份聚乙二醇活化处理1h，使羟基接枝到硅藻土表面，增加硅藻土的活性和亲水性，过滤、干燥后再将2重量份乙二醇加入到活化处理后的硅藻土中，搅拌15min，使乙二醇吸附于硅藻土的孔隙中；

2）将10重量份的聚偏氟乙烯基膜材料溶解在75重量份的N-甲基吡咯烷酮中形成基膜液，再将步骤1)得到的硅藻土加入到基膜液中，边搅拌边加入2重量份聚氨酯，增加基膜液的粘度，使硅藻土在基膜液中不易沉降，分散均匀，形成铸膜液；

3）将步骤2）得到的铸膜液进行机械搅拌和真空脱泡，然后在玻璃板上经过流延刮膜，自然风干50s，浸入55℃凝胶浴中，使吸附于硅藻土中的乙二醇快速挥发出来，在膜的表面形成与硅藻土天然滤孔一致的孔洞，通过凝胶固化成膜，得到无机-有机复合的超滤膜。

Claims (1)

1.一种无机-有机复合超滤膜，其特征在于由以下重量份原材料制备而成的：

基膜材料            10-20份，

 表面活性剂            5-10份，

造孔剂                 1-3份，

 硅藻土               10-20份，

 增稠剂                 2-3份，

 溶剂                 60-80份，

其中所述的基膜材料为纤维素类、聚砜类、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚醚酮、聚酰亚胺中的一种；所述的表面活性剂为聚乙二醇、三乙醇胺、丙三醇中的一种或多种；所述的造孔剂为乙醇、乙二醇中的一种或多种；所述的硅藻土为使用质量分数10%的盐酸浸泡处理过的超声波震荡水洗的硅藻土，滤孔保持完好，二氧化硅含量大于95%，细度1000-2000目；所述的增稠剂为羟乙基纤维素、聚丙烯酸酯、聚氨酯中的一种或多种；所述的溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰按、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜中的一种或多种；所述无机-有机复合超滤膜，是通过以下制备方法得到的：

1) 将10-20重量份的使用质量分数10%的盐酸浸泡处理过的超声波震荡水洗的硅藻土用5-10重量份表面活性剂活化处理1-2h，使羟基接枝到硅藻土表面，增加硅藻土的活性和亲水性，过滤、干燥后再将1-3重量份造孔剂加入到活化处理后的硅藻土中，搅拌10-20min，使造孔剂吸附于硅藻土的孔隙中；

2）将10-20重量份的基膜材料溶解在60-80重量份的溶剂中形成基膜液，再将步骤1)得到的硅藻土加入到基膜液中，边搅拌边加入2-3重量份增稠剂，增加基膜液的粘度，使硅藻土在基膜液中不易沉降，分散均匀，形成铸膜液；

3）将步骤2）得到的铸膜液进行机械搅拌和真空脱泡，然后在玻璃板上经过流延刮膜，自然风干40-60s，浸入50-60℃凝胶浴中，使吸附于硅藻土中的造孔剂快速挥发出来，在膜的表面形成与硅藻土天然滤孔一致的孔洞，通过凝胶固化成膜，得到无机-有机复合的超滤膜。