CN104437109A - 一种聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜及其制备方法与应用 - Google Patents

一种聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于复合材料技术领域，公开了一种聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜及其制备方法与应用。所述制备方法为：将碳纳米管超声分散于溶剂中，依次将聚氯乙烯、成孔剂加入，搅拌8～20h溶解共混均匀，形成铸膜液；将配制好的铸膜液脱泡后，置于支撑物上进行涂膜；将涂有铸膜液的支撑物在空气中停留20～80s，以与液面成60～90°角度浸入去离子水中进行溶剂交换，得到聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜。所得复合超滤膜具有分离能力好，强度高的优点，可用于蛋白质分离、工业废水处理、中水回用等领域。

Description

一种聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜及其制备方法与应用。
背景技术
碳纳米管由于其独特的力学性能、导电性能、传热性能，使其自从问世以来而备受关注。将碳纳米管与高聚物复合成膜，利用其独特的性能和管状结构，可以提高传统分离膜对复杂体系的分离效果。聚氯乙烯(PVC)是产量最大的三大合成树脂之一，来源丰富，价格低廉，化学稳定性好，耐菌，耐酸碱，耐化学侵蚀，被广泛用于超滤膜的制备。但它也有一定的缺陷，其强度和韧性不够好，抗冲击力和抗拉伸能力不够理想。
超滤水处理是利用膜表面的机械筛分、膜孔阻滞以及膜表面和膜孔的吸附作用而达到去除污染物的目的。碳纳米管具有多孔性、大比表面积、小质量密度，使其具有突出的吸附性能，特别是对于水中一些小分子污染物。将其与聚氯乙烯复合成膜，不但可以改善聚氯乙烯膜的疏水性、提高膜的荷电性、增加膜的抗污染性能，还能充分利用碳纳米管的吸附性能，从而有望显著提高膜去除污染物的能力。
目前国内外一般采用相转移法制备常规超滤膜，即通过铸膜液配制、涂膜、溶剂交换等步骤制得具有致密表皮层及疏松支撑结构的复合超滤膜。将碳纳米管与聚氯乙烯复合成膜，有望切实改善聚氯乙烯超滤膜的荷电性、抗污染性及分离性能。
发明内容
为了解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种由上述制备方法制备得到的聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜。
本发明的再一目的在于提供上述聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜在蛋白质分离、工业废水处理、中水回用等领域中的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜的制备方法，包括以下操作步骤：
(1)配制铸膜液：将碳纳米管超声分散于溶剂中，依次将聚氯乙烯、成孔剂加入，搅拌8～20h溶解共混均匀，形成铸膜液；
(2)涂膜：将配制好的铸膜液脱泡后，置于支撑物上进行涂膜；
(3)成膜：将涂有铸膜液的支撑物在空气中停留20～80s，以与液面成60～90°角度浸入去离子水中进行溶剂交换，得到聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜。
步骤(1)中所述的碳纳米管优选外径为10～40nm，长度<2μm，纯度>97％，比表面积为100～210m2/g的碳纳米管；所述的聚氯乙烯优选聚合度为1000～3000的聚氯乙烯。
步骤(1)中所述的溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺和N-甲基吡咯烷酮中的一种或两种以上的混合物。
步骤(1)中所述的成孔剂选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、甘油、丙二醇、乙二醇、丙酮、草酸和氯化锂中的一种或两种以上的混合物；优选平均分子量为5000～200000的聚乙烯吡咯烷酮。
步骤(1)中所述的超声分散是指在频率为20～60kHz的条件下超声分散0.5～1.5h。
步骤(1)中所述的碳纳米管、聚氯乙烯、成孔剂及溶剂的质量百分含量为碳纳米管0.05～5％、聚氯乙烯5～22％、成孔剂1～10％，余量为溶剂。
所述配制铸膜液、涂膜及成膜过程均在常温下进行。
步骤(2)中所述的脱泡是指静置12～30h脱泡；所述的支撑物优选平滑的聚酯无纺布、碳纤维或玻璃板；所述涂膜的厚度为150～450μm。
一种聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜，通过上述制备方法制备得到。
上述聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜在蛋白质分离、工业废水处理、中水回用等领域中的应用。
通过本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：
(1)本发明所制得的聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜由于加入了具有强吸附性、抗菌性的碳纳米管材料，改善了膜的分离能力；另外通过碳纳米管材料的加入，可显著改善膜的力学性能；
(2)本发明的聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜的制备方法，由于将碳纳米管加入溶剂中超声分散，再与聚氯乙烯混合，形成均匀的纳米分散液，通过相转移法可以形成非常均匀的复合膜；
(3)本发明的制备方法中通过调节加入的碳纳米管的含量，铸膜液浓度，成孔剂的比例，可以对膜的孔结构、亲水性、荷电性等进行高效的控制，进而优化膜的分离性能；
(4)本发明的制备方法均在常温下进行，设备简单，操作方便，生产成本低廉，可控性强。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)配制铸膜液：将1wt％的碳纳米管(外径为10nm，长度<2μm，纯度>97％，比表面积为210m2/g)加入73wt％的N,N-二甲基乙酰胺中，在超声频率为40kHz下超声分散1.0h，再将21wt％聚合度为1000的聚氯乙烯、5wt％平均分子量为5000的聚乙烯吡咯烷酮加入到超声后的溶液中，在室温条件下搅拌10h，得到溶解混合均匀的铸膜液；
(2)涂膜：铸膜液静置脱泡15h后，将铸膜液涂覆在平板玻璃上，涂覆膜的厚度控制在350μm，涂覆的速度为1.2m/min；
(3)成膜：将涂覆膜在空气中停留50s后，以与液面成60°角度浸入去离子水中，溶剂交换24h，取出晾干，即得聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜。
本实施例的聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜的纯水通量和双酚A(BPA)截留率均在YL-300超滤杯上采用死端过滤进行测量。在超滤压力为100kpa时，纯水通量为77.6L/m2·h，BPA截留率为78.4％。
实施例2
(1)配制铸膜液：将0.08wt％的碳纳米管(外径为40nm，长度<2μm，纯度>97％，比表面积为100m2/g)加入83wt％的N,N-二甲基乙酰胺中，在超声频率为50kHz下超声分散1.5h，再将14wt％聚合度为3000的聚氯乙烯、2.92wt％平均分子量为50000的聚乙烯吡咯烷酮加入到超声后的溶液中，在室温条件下搅拌12h，得到溶解混合均匀的铸膜液；
(2)涂膜：铸膜液静置脱泡22h后，将铸膜液涂覆在平板玻璃上，涂覆膜的厚度控制在350μm，涂覆的速度为1.2m/min；
(3)成膜：将涂覆膜在空气中停留30s后，以与液面成90°角度浸入去离子水中，溶剂交换24h，取出晾干，即得聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜。
本实施例的聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜的纯水通量和双酚A(BPA)截留率均在YL-300超滤杯上采用死端过滤进行测量。在超滤压力为100kpa时，纯水通量为200.2L/m2·h，BPA截留率为65.2％。
实施例3
(1)配制铸膜液：将0.5wt％的碳纳米管(外径为30nm，长度<2μm，纯度>97％，比表面积为180m2/g)加入80wt％的N,N-二甲基乙酰胺中，在超声频率为60kHz下超声分散0.5h，再将13wt％聚合度为2000的聚氯乙烯、6.5wt％平均分子量为100000的聚乙烯吡咯烷酮加入到超声后的溶液中，在室温条件下搅拌16h，得到溶解混合均匀的铸膜液；
(2)涂膜：铸膜液静置脱泡24h后，将铸膜液涂覆在平板玻璃上，涂覆膜的厚度控制在350μm，涂覆的速度为1.2m/min；
(3)成膜：将涂覆膜在空气中停留60s后，以与液面成75°角度浸入去离子水中，溶剂交换24h，取出晾干，即得聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜。
本实施例的聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜的纯水通量和双酚A(BPA)截留率均在YL-300超滤杯上采用死端过滤进行测量。在超滤压力为100kpa时，纯水通量为561.4L/m2·h，BPA截留率为48.7％。
实施例4
(1)配制铸膜液：将2.5wt％的碳纳米管(外径为40nm，长度<2μm，纯度>97％，比表面积为100m2/g)加入80wt％的N,N-二甲基乙酰胺中，在超声频率为60kHz下超声分散1.0h，再将15wt％聚合度为3000的聚氯乙烯、2.5wt％平均分子量为10000的聚乙烯吡咯烷酮加入到超声后的溶液中，在室温条件下搅拌18h，得到溶解混合均匀的铸膜液；
(2)涂膜：铸膜液静置脱泡30h后，将铸膜液涂覆在平板玻璃上，涂覆膜的厚度控制在350μm，涂覆的速度为1.2m/min；
(3)成膜：将涂覆膜在空气中停留60s后，以与液面成60°角度浸入去离子水中，溶剂交换24h，取出晾干，即得聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜。
本实施例的聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜的纯水通量和双酚A(BPA)截留率均在YL-300超滤杯上采用死端过滤进行测量。在超滤压力为100kpa时，纯水通量为485.7L/m2·h，BPA截留率为54.7％。
实施例5
(1)配制铸膜液：将4wt％的碳纳米管(外径为20nm，长度<2μm，纯度>97％，比表面积为180m2/g)加入78wt％的N,N-二甲基乙酰胺中，在超声频率为45kHz下超声分散1.5h，再将16wt％聚合度为1000的聚氯乙烯、2wt％平均分子量为80000的聚乙烯吡咯烷酮加入到超声后的溶液中，在室温条件下搅拌20h，得到溶解混合均匀的铸膜液；
(2)涂膜：铸膜液静置脱泡26h后，将铸膜液涂覆在平板玻璃上，涂覆膜的厚度控制在350μm，涂覆的速度为1.2m/min；
(3)成膜：将涂覆膜在空气中停留45s后，以与液面成90°角度浸入去离子水中，溶剂交换24h，取出晾干，即得聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜。
本实施例的聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜的纯水通量和双酚A(BPA)截留率均在YL-300超滤杯上采用死端过滤进行测量。在超滤压力为100kpa时，纯水通量为107.2L/m2·h，BPA截留率为75.6％。
实施例6
(1)配制铸膜液：将3wt％的碳纳米管(外径为40nm，长度<2μm，纯度>97％，比表面积为100m2/g)加入76wt％的N,N-二甲基乙酰胺中，在超声频率为20kHz下超声分散0.5h，再将18wt％聚合度为3000的聚氯乙烯、3wt％平均分子量为150000的聚乙烯吡咯烷酮加入到超声后的溶液中，在室温条件下搅拌10h，得到溶解混合均匀的铸膜液；
(2)涂膜：铸膜液静置脱泡25h后，将铸膜液涂覆在平板玻璃上，涂覆膜的厚度控制在350μm，涂覆的速度为1.2m/min；
(3)成膜：将涂覆膜在空气中停留45s后，以与液面成80°角度浸入去离子水中，溶剂交换24h，取出晾干，即得聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜。
本实施例的聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜的纯水通量和双酚A(BPA)截留率均在YL-300超滤杯上采用死端过滤进行测量。在超滤压力为100kpa时，纯水通量为324.8L/m2·h，BPA截留率为60.1％。
实施例7
(1)配制铸膜液：将1.5wt％的碳纳米管(外径为10nm，长度<2μm，纯度>97％，比表面积为210m2/g)加入73.5wt％的N,N-二甲基乙酰胺中，在超声频率为30kHz下超声分散1.5h，再将17wt％聚合度为3000的聚氯乙烯、8wt％平均分子量为70000的聚乙烯吡咯烷酮加入到超声后的溶液中，在室温条件下搅拌8h，得到溶解混合均匀的铸膜液；
(2)涂膜：铸膜液静置脱泡18h后，将铸膜液涂覆在平板玻璃上，涂覆膜的厚度控制在350μm，涂覆的速度为1.2m/min；
(3)成膜：将涂覆膜在空气中停留40s后，以与液面成60°角度浸入去离子水中，溶剂交换24h，取出晾干，即得聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜。
本实施例的聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜的纯水通量和双酚A(BPA)截留率均在YL-300超滤杯上采用死端过滤进行测量。在超滤压力为100kpa时，纯水通量为153.8L/m2·h，BPA截留率为66.3％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜的制备方法，其特征在于：包括以下操作步骤：
(1)配制铸膜液：将碳纳米管超声分散于溶剂中，依次将聚氯乙烯、成孔剂加入，搅拌8～20h溶解共混均匀，形成铸膜液；
(2)涂膜：将配制好的铸膜液脱泡后，置于支撑物上进行涂膜；
(3)成膜：将涂有铸膜液的支撑物在空气中停留20～80s，以与液面成60～90°角度浸入去离子水中进行溶剂交换，得到聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜。
2.根据权利要求1所述的一种聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的碳纳米管是指外径为10～40nm，长度<2μm，纯度>97％，比表面积为100～210m2/g的碳纳米管；所述的聚氯乙烯是指聚合度为1000～3000的聚氯乙烯。
3.根据权利要求1所述的一种聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的溶剂是指N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺和N-甲基吡咯烷酮中的一种或两种以上的混合物；所述的成孔剂是指聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、甘油、丙二醇、乙二醇、丙酮、草酸和氯化锂中的一种或两种以上的混合物。
4.根据权利要求3所述的一种聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜的制备方法，其特征在于：所述的成孔剂是指平均分子量为5000～200000的聚乙烯吡咯烷酮。
5.根据权利要求1所述的一种聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的超声分散是指在频率为20～60kHz的条件下超声分散0.5～1.5h。
6.根据权利要求1所述的一种聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的的碳纳米管、聚氯乙烯、成孔剂及溶剂的质量百分含量为碳纳米管0.05～5％、聚氯乙烯5～22％、成孔剂1～10％，余量为溶剂。
7.根据权利要求1所述的一种聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜的制备方法，其特征在于：所述的配制铸膜液、涂膜及成膜过程均在常温下进行。
8.根据权利要求1所述的一种聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的脱泡是指静置12～30h脱泡；所述的支撑物是指平滑的聚酯无纺布、碳纤维或玻璃板；所述涂膜的厚度为150～450μm。
9.一种聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜，其特征在于：通过权利要求1～8任一项所述的制备方法制备得到。
10.权利要求9所述的聚氯乙烯-碳纳米管复合超滤膜在蛋白质分离、工业废水处理、中水回用领域中的应用。
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