CN105107394B - 一种持久抗冲刷和抗生物污染超滤膜 - Google Patents
一种持久抗冲刷和抗生物污染超滤膜 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种持久抗冲刷抗生物污染的含辣素衍生结构的超滤膜及其制备方法，该超滤膜因其辣素衍生结构和大量不饱和键，具有优异分离性能和抗生物污染性、高机械性能和耐久性的特点。此外，该超滤膜的制备方法与传统“聚合‑共混‑相转化”相比，将抑菌单体的聚合以及共混两步合成一步，大大简化制膜工艺流程，节约生产成本。其对大肠杆菌、金色葡萄球菌的抑菌率较普通商品膜高90％，抑藻率高80％；对有机物去除率大于85％，水通量大于120L/m2h；经多次清洗后，该膜机械强度不断提高。发明所制备出来的超滤膜适用于水处理工艺中，在保证膜分离性能和抗生物污染能力的同时，还增强了膜机械性能以及膜在实际水处理应用过程中的抗冲刷能力。
Description
技术领域
本发明属于抗生物污染高分子超滤膜制备技术领域，具体涉及一种持久抗冲刷和抗生物污染超滤膜及其制备方法。
背景技术
随着经济的可持续快速发展，水资源短缺已成为一个严重的全球性问题，膜技术是水处理技术领域的重要变革，在水处理领域的应用越发受到各国重视。过去十年全球膜市场经历了高速发展，膜技术是膜分离技术的简称，按照分离精度的不同，压力驱动膜分为微滤(MF)膜、超滤(UF)膜、纳滤(NF)膜和反渗透(RO)膜等等。超滤(UF)，是以压力驱动的筛孔分离过程，是处理微污染水的最佳选择。然而，膜污染，尤其是有机污染和生物淤积关系到膜分离性能、使用寿命和更换成本等，是膜分离技术进一步发展和应用的瓶颈。
辣素，辣椒的活性成分，是一类性能稳定的天然防污活性物质，属于香草酰胺类生物碱，具有杀菌、消炎、镇痛和防腐等作用，已被广泛应用于防污涂料中。近年来，徐佳等人率先将辣素及其衍生物通过“聚合-共混-相转化”法引入到分离膜中，构建了新型含辣素衍生结构的抑菌性超滤膜等，保证膜分离性能的同时显著提高了膜组件的抗生物污染性能。高学理等人将含辣素衍生结构单体与亲水性单体以及光敏剂配成改性液，并将其涂布于预处理的超滤膜表面，紫外灯照射一定时间，制备亲水性和抗菌性均提升的改性超滤膜。但值得注意的是，上述技术存在两个局限性：(1)制备过程较为繁琐，增加了制备时间及制备成本；(2)分离膜的机械性能有所下降，尤其是反复冲洗后分离膜的机械性能。
因此，从铸膜液本体出发，开发新型分离膜材料，研制新型抗冲刷抗污染分离膜，使其既具有良好的分离性能、防止膜生物滋生污染性能和高机械性能，在水处理领域具有重要的理论意义和实际应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种持久抗冲刷和生物污染超滤膜，从而弥补现有技术的不足。
本发明首先提供一种铸膜液，包含有双官能度辣素衍生结构单体、引发剂、制孔剂、水和主膜材料；其中双官能度辣素衍生结构单体、引发剂、制孔剂、主膜材料占铸膜液总质量的0.1～5％、0.005～1.5％、5～10％、10～20％。
所述的双官能度辣素衍生结构单体，是含有两个碳碳不饱和键的辣素衍生结构单体，如N-(2-羟基-3-丙烯酰胺甲基-4,6-二甲基苄基)丙烯酰胺、N-(2-羟基-3-丙烯酰胺甲基-5,6-二甲基苄基)丙烯酰胺等。
所述的引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈或过氧苯甲酰；
所述的制孔剂为不同分子量聚乙二醇；
所述的主膜材料为聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚烯烃、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯聚碳酯、乙烯类聚合物或含硅聚合物中的一种。
本发明还提供一种超滤膜，是用上述的铸膜液制成的；其一种制备方法，是在室温下将铸膜液在固定于玻璃板上或无纺布支撑层上流延成膜；在空气中干燥后，浸入去离子水中；最后用去离子水漂洗，制得超滤膜。
本发明基于自然界存在的天然防污活性物质的抗生物特性和双官能度聚合特点，提出制备一种含辣素衍生结构和不饱和键的抗冲刷抗生物污染超滤膜。发明所制备出来的超滤膜适用于水处理工艺中，同时提高了抗生物污染特性和膜组件的抗冲刷性，从而保证膜的长期分离性能、延长膜使用寿命。
具体实施方式
申请人通过对铸膜液组分及配比的优化，并结合特定的制备方法，从而制成了本发明的持久抗冲刷和生物污染超滤膜。
下面结合具体实施例对本发明方法做进一步阐述。
实施例1、
将1gN-(2-羟基-3-丙烯酰胺甲基-4,6-二甲基苄基)丙烯酰胺、0.05g偶氮二异丁腈、8g聚乙二醇、0.4g水、18g聚砜溶于72.55g N,N-二甲基乙酰胺，75℃下搅拌24h，制备均一的铸膜液，然后真空脱泡24h。室温下，将铸膜液在洁净的玻璃板上流延成膜；在空气中干燥5s；25℃凝胶浴中浸泡24h；去离子水漂洗，制得超滤膜。
测定该超滤膜性能，结果如下。膜表面接触角为75.01°；在操作压力0.1MPa、温度25℃下，其纯水透过系数为3403.27L/(m2hMPa)，对5mg/L腐植酸溶液进行膜过滤实验，稳定通量为130.16L/m2h，稳定截留率为88.25％，抑菌率为70.42％。
实施例2、
将2gN-(2-羟基-3-丙烯酰胺甲基-4,6-二甲基苄基)丙烯酰胺、0.1g偶氮二异丁腈、8g聚乙二醇、0.4g水、18g聚砜溶于71.5g N,N-二甲基乙酰胺，75℃下搅拌24h，制备均一的铸膜液，然后真空脱泡24h。室温下，将铸膜液在洁净的玻璃板上流延成膜；在空气中干燥5s；25℃凝胶浴中浸泡24h；去离子水漂洗，制得超滤膜。
测定该超滤膜性能，结果如下。膜表面接触角为80.08°；在操作压力0.1MPa、温度25℃下，其纯水透过系数为3184.86L/(m2hMPa)，对5mg/L腐植酸溶液进行膜过滤实验，稳定通量为124.08L/m2h，稳定截留率为85.62％，抑菌率为83.75％。
实施例3、
将3gN-(2-羟基-3-丙烯酰胺甲基-5,6-二甲基苄基)丙烯酰胺、0.15g偶氮二异丁腈、8g聚乙二醇、0.4g水、18g聚砜溶于70.45g N,N-二甲基乙酰胺，75℃下搅拌24h，制备均一的铸膜液，然后真空脱泡24h。室温下，将铸膜液在洁净的玻璃板上流延成膜；在空气中干燥5s；25℃凝胶浴中浸泡24h；去离子水漂洗，制得超滤膜。
测定该超滤膜性能，结果如下。膜表面接触角为73.5°；在操作压力0.1MPa、温度25℃下，其纯水透过系数为3192.12L/(m2hMPa)，对5mg/L腐植酸溶液进行膜过滤实验，稳定通量为118.42L/m2h，稳定截留率为86.99％，抑菌率为89.58％。
实施例4、
将3gN-(2-羟基-3-丙烯酰胺甲基-5,6-二甲基苄基)丙烯酰胺、0.15g偶氮二异丁腈、8g聚乙二醇、0.4g水、18g聚砜溶于70.45g N,N-二甲基乙酰胺，80℃下搅拌24h，制备均一的铸膜液，然后真空脱泡24h。室温下，将铸膜液在洁净的玻璃板上流延成膜；在空气中干燥5s；25℃凝胶浴中浸泡24h；去离子水漂洗，制得超滤膜。
测定该超滤膜性能，结果如下。膜表面接触角为76.2°；在操作压力0.1MPa、温度25℃下，其纯水透过系数为3052.28L/(m2hMPa)，对5mg/L腐植酸溶液进行膜过滤实验，稳定通量为110.72L/m2h，稳定截留率为88.27％，抑菌率为90.13％。
实施例5、
将3gN-(2-羟基-3-丙烯酰胺甲基-5,6-二甲基苄基)丙烯酰胺、0.15g偶氮二异丁腈、8g聚乙二醇、0.4g水、18g聚砜溶于70.45g N,N-二甲基乙酰胺，90℃下搅拌24h，制备均一的铸膜液，然后真空脱泡24h。室温下，将铸膜液在洁净的玻璃板上流延成膜；在空气中干燥5s；25℃凝胶浴中浸泡24h；去离子水漂洗，制得超滤膜。
测定该超滤膜性能，结果如下。膜表面接触角为76.7°；在操作压力0.1MPa、温度25℃下，其纯水透过系数为4216.64L/(m2hMPa)，对5mg/L腐植酸溶液进行膜过滤实验，稳定通量为1306.47L/m2h，稳定截留率为87.84％，抑菌率为94.47％。
对照例1、
将8g聚乙二醇、0.4g水、18g聚砜溶于73.6g N,N-二甲基乙酰胺，75℃下搅拌24h，制备均一的铸膜液，然后真空脱泡24h。室温下，将铸膜液在洁净的玻璃板上流延成膜；在空气中干燥5s；25℃凝胶浴中浸泡24h；去离子水漂洗，制得超滤膜。
测定该超滤膜性能，结果如下。在操作压力0.1MPa、温度25℃下，其纯水透过系数为1411.57L/(m2hMPa)，对5mg/L腐植酸溶液进行膜过滤实验，稳定通量为88.66L/m2h，稳定截留率为86.37％，无抑菌性。
对照例2、
将0.15g偶氮二异丁腈、8g聚乙二醇、0.4g水、18g聚砜溶于73.45g N,N-二甲基乙酰胺，75℃下搅拌24h，制备均一的铸膜液，然后真空脱泡24h。室温下，将铸膜液在洁净的玻璃板上流延成膜；在空气中干燥5s；25℃凝胶浴中浸泡24h；去离子水漂洗，制得超滤膜。
测定该超滤膜性能，结果如下。在操作压力0.1MPa、温度25℃下，其纯水透过系数为2384.86L/(m2hMPa)，对5mg/L腐植酸溶液进行膜过滤实验，稳定通量为89.30L/m2h，稳定截留率为86.27％，无抑菌性。
对照例3、
将0.075g偶氮二异丁腈、8g聚乙二醇、0.4g水、18g聚砜溶于73.375g N,N-二甲基乙酰胺，75℃下搅拌24h，制备均一的铸膜液，然后真空脱泡24h。室温下，将铸膜液在洁净的玻璃板上流延成膜；在空气中干燥5s；25℃凝胶浴中浸泡24h；去离子水漂洗，制得超滤膜。
测定该超滤膜性能，结果如下。在操作压力0.1MPa、温度25℃下，其纯水透过系数为1610.45L/(m2hMPa)，对5mg/L腐植酸溶液进行膜过滤实验，稳定通量为80.59L/m2h，稳定截留率为87.69％，无抑菌性。
对照例4、
将3g双官能度的含辣素衍生结构单体、8g聚乙二醇、0.4g水、18g聚砜溶于70.6gN,N-二甲基乙酰胺，75℃下搅拌24h，制备均一的铸膜液，然后真空脱泡24h。室温下，将铸膜液在洁净的玻璃板上流延成膜；在空气中干燥5s；25℃凝胶浴中浸泡24h；去离子水漂洗，制得超滤膜。
测定该超滤膜性能，结果如下。在操作压力0.1MPa、温度25℃下，其纯水透过系数为1403.27L/(m2hMPa)，对5mg/L腐植酸溶液进行膜过滤实验，稳定通量为95.47L/m2h，稳定截留率为85.42％，无抑菌性。
对照例5、
将3g双官能度的含辣素衍生结构单体、0.15g偶氮二异丁腈、8g聚乙二醇、0.4g水、18g聚砜溶于70.45g N,N-二甲基乙酰胺，60℃下搅拌24h，制备均一的铸膜液，然后真空脱泡24h。室温下，将铸膜液在洁净的玻璃板上流延成膜；在空气中干燥5s；25℃凝胶浴中浸泡24h；去离子水漂洗，制得超滤膜。
测定该超滤膜性能，结果如下。膜表面接触角为73.5°；在操作压力0.1MPa、温度25℃下，其纯水透过系数为1951.19L/(m2hMPa)，对5mg/L腐植酸溶液进行膜过滤实验，稳定通量为99.29L/m2h，稳定截留率为84.99％，无抑菌性。
Claims (5)
1.一种铸膜液，其特征在于，所述的铸膜液包含有双官能度辣素衍生结构单体、引发剂、制孔剂、水和主膜材料；其中双官能度辣素衍生结构单体、引发剂、制孔剂、主膜材料占铸膜液总质量的0.1～5％、0.005～1.5％、5～10％、10～20％；
所述的双官能度辣素衍生结构单体，是含有两个碳碳不饱和键的辣素衍生结构单体；
所述的引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈或过氧苯甲酰；
所述的制孔剂为聚乙二醇；
所述的主膜材料为聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚烯烃、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯聚碳酯、乙烯类聚合物或含硅聚合物中的任一种或几种。
2.如权利要求1所述的铸膜液，其特征在于，所述的双官能度辣素衍生结构单体为N-(2-羟基-3-丙烯酰胺甲基-4,6-二甲基苄基)丙烯酰胺或N-(2-羟基-3-丙烯酰胺甲基-5,6-二甲基苄基)丙烯酰胺。
3.权利要求1所述的铸膜液在制备超滤膜中的应用。
4.一种超滤膜，其特征在于，所述的超滤膜是用权利要求1所述的铸膜液制备的。
5.权利要求4所述的超滤膜的制备方法，其特征在于，所述的方法是室温下将权利要求1所述的铸膜液在固定于玻璃板上或无纺布支撑层上流延成膜；在空气中干燥后，浸入去离子水中；最后用去离子水漂洗，制得超滤膜。
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