CN105148741B - 一种无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备方法。配制无机纳米粒子杂化的阴离子聚电解质水溶液；配制pH为5.8‑10.0的阳离子聚电解质水溶液；将无机纳米粒子杂化的阴离子聚电解质水溶液滴加入阳离子聚电解质水溶液中，得到无机纳米杂化的荷正电聚电解质络合物；将络合物分散在一元酸水溶液中，经过滤，静置脱泡后，用刮膜刀将其涂覆于聚砜超滤膜上，烘干后得到无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜。通过掺杂不同质量分数的无机纳米粒子以及调节阳离子聚电解质溶液的pH值可得到不同组成的无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物。制备的无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜具有优异分离性能和高稳定性。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料制备和膜分离领域，尤其涉及一种无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备方法。
背景技术
渗透汽化作为一种膜分离技术，它利用膜对料液中不同组分的溶解、扩散性能不同，实现对不同组分的分离，具有高效、节能、操作简单、易于放大等特点。该技术可有效地分离近沸、共沸混合溶液，也可用于有机物中微量水分的脱除，在石油化工、医药、食品以及环保等领域具有广阔的应用前景和市场。渗透汽化还可与蒸馏等分离技术相集成，更好的发挥高效、节能的优势。
膜材料的结构性质是影响渗透汽化性能的主要因素。渗透汽化的应用包括有机物脱水、水中脱除有机物以及有机物-有机物分离三方面，其中有机物脱水膜被研究的最广泛。通常采用渗透通量和被分离组分在透过液中的含量衡量膜的分离性能，作为有机物脱水膜，膜材料需具有强的亲水性，使得膜在具有高的渗透通量的同时还具有高的分离选择性。但是高的渗透通量的同时往往伴随着膜的高度溶胀，会降低膜的分离选择性、长时间稳定性等。有机-无机杂化、化学交联、膜表面改性通常被用于抑制膜的过度溶胀，但在限制膜溶胀的同时往往会导致膜的通量下降。
聚电解质络合物是由阴离子聚电解质与阳离子聚电解质通过静电相互作用络合形成的多组份高分子材料。它具有大量亲水性基团的同时还具有离子交联结构，具有强亲水性的同时还能抑制膜的过度溶胀，是制备渗透汽化有机物脱水膜的优异材料。相比于无机膜，聚合物膜在运行过程中通常存在机械性能差、稳定性差的确定，而有机无机杂化是增加聚合物膜机械性能的有效方法。通过原位杂化法制备杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜，提高膜的机械性能以增强膜的稳定性，同时抑制膜在料液中过度溶胀，增强膜的耐水性，使膜在高水含量的料液中扔保持高的分离性能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备方法。
一种无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物的制备：在10-40℃下，将无机纳米粒子在搅拌与超声下加入阴离子聚电解质水溶液中，得到掺杂无机纳米粒子的阴离子聚电解质水溶液；配制pH值为5.8-10.0的阳离子聚电解质水溶液；将掺杂无机纳米粒子的阴离子聚电解质水溶液以15-50ml/min的速度滴加入阳离子聚电解质水溶液中，经沉淀、洗涤，在40-60℃下烘12-36h，得到无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物；
(2)铸膜液的配制：在10-60℃下，用一元酸水溶液配制质量分数为0.3％-3％的无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物铸膜液；
(3)无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备：将所得的铸膜液过滤、静置脱泡，再用刮膜刀将其均匀涂覆于支撑膜上，在20-50℃下烘6-48h得到无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜。
步骤(1)中所述的无机纳米粒子为氧化石墨烯、酸化多壁碳纳米管、纳米二氧化硅粒子；步骤(1)中无机纳米粒子占阴离子聚电解质的质量百分数为0.5-5％；
步骤(1)中所述的阳离子聚电解质水溶液的质量分数为0.03-0.3％，步骤1)中所述的阴离子聚电解质水溶液的质量分数为0.05-0.5％；
步骤(1)中所述的阴离子聚电解质为聚乙烯磺酸钠(PVS)、聚苯乙烯磺酸钠(PSS)、葡聚糖硫酸钠(DSS)中的一种；步骤(1)中所述的阳离子聚电解质为壳聚糖(CS)、聚烯丙基胺盐酸盐(PAH)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚乙烯胺(PVA)中的一种；步骤(1)中所述的阳离子聚电解质的重均分子量在80000-800000之间。步骤(1)中所述阳离子聚电解质水溶液的pH值为5.8-10.0，调节溶液的pH值可用盐酸、醋酸、甲酸、丙酸或氢氧化钠、氢氧化钾；步骤(2)中所述的酸性水溶液为质量分数为0.5-5％的盐酸、甲酸、乙酸或者丙酸水溶液。所述的支撑膜为聚砜超滤膜或聚丙烯腈超滤膜。
本发明通过原位杂化法制备了无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜。本发明制备的无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜具有优异的力学性能，高的渗透通量和分离选择性以及优异的耐水性。本发明方法简单，易于推广。
具体实施方式
实施例1：
一种无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物的制备：在40℃下，将50mg的酸化多壁碳纳米管在搅拌与超声下加入20kg质量分数为0.05％的PVS水溶液中，得到掺杂酸化多壁碳纳米管的PVS水溶液；配制pH值为5.8质量分数为0.03％的CS盐酸溶液；将掺杂酸化多壁碳纳米管的PVS水溶液以50ml/min的速度滴加入CS盐酸溶液中，经沉淀、洗涤，在60℃下烘12h，得到酸化多壁碳纳米管杂化PVS/CS络合物；
(2)铸膜液的配制：在60℃下，用质量分数为5％的丙酸水溶液配制质量分数为0.3％的酸化多壁碳纳米管杂化PVS/CS络合物铸膜液；
(3)无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备：将所得的铸膜液过滤、静置脱泡，再用刮膜刀将其均匀涂覆于聚砜超滤膜上，在20℃下烘48h得到酸化多壁碳纳米管杂化PVS/CS络合物渗透汽化膜。该膜在60℃下分离30wt％的水/异丙醇溶液时，通量为4826g/m2h，透过液中水含量为99.36wt％。
实施例2：
一种无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物的制备：在40℃下，将100mg的氧化石墨烯在搅拌与超声下加入2kg质量分数为0.1％的PSS水溶液中，得到掺杂氧化石墨烯的PSS水溶液；配制pH值为6质量分数为0.3％的CS乙酸溶液；将掺杂氧化石墨烯的PSS水溶液以15ml/min的速度滴加入CS乙酸溶液中，经沉淀、洗涤，在40℃下烘36h，得到氧化石墨烯杂化PSS/CS络合物；
(2)铸膜液的配制：在10℃下，用质量分数为0.5％的乙酸水溶液配制质量分数为3％的氧化石墨烯杂化PSS/CS络合物铸膜液；
(3)无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备：将所得的铸膜液过滤、静置脱泡，再用刮膜刀将其均匀涂覆于聚砜超滤膜上，在50℃下烘6h得到氧化石墨烯杂化PSS/CS络合物渗透汽化膜。该膜在60℃下分离30wt％的水/异丙醇溶液时，通量为5026g/m2h，透过液中水含量为98.67wt％。
实施例3：
一种无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物的制备：在10℃下，将100mg的纳米二氧化硅粒子在搅拌与超声下加入3kg质量分数为0.1％的DSS水溶液中，得到掺杂纳米二氧化硅粒子的DSS水溶液；配制pH值为9质量分数为0.1％的PEI甲酸溶液；将掺杂二氧化硅的DSS水溶液以30ml/min的速度滴加入PEI甲酸溶液中，经沉淀、洗涤，在40℃下烘36h，得到纳米二氧化硅粒子杂化DSS/PEI络合物；
(2)铸膜液的配制：在30℃下，用质量分数为0.5％的甲酸水溶液配制质量分数为2％的纳米二氧化硅粒子杂化DSS/PEI络合物铸膜液；
(3)无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备：将所得的铸膜液过滤、静置脱泡，再用刮膜刀将其均匀涂覆于聚砜超滤膜上，在30℃下烘36h得到纳米二氧化硅粒子杂化DSS/PEI络合物渗透汽化膜。该膜在60℃下分离30wt％的水/异丙醇溶液时，通量为4876g/m2h，透过液中水含量为99.12wt％。
实施例4：
一种无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物的制备：在30℃下，将90mg的酸化多壁碳纳米管在搅拌与超声下加入1.5kg质量分数为0.2％的PSS水溶液中，得到掺杂酸化多壁碳纳米管的PSS水溶液；配制pH值为8质量分数为0.05％的PEI盐酸溶液；将掺杂酸化多壁碳纳米管的PSS水溶液以25ml/min的速度滴加入PEI盐酸酸溶液中，经沉淀、洗涤，在40℃下烘36h，得到酸化多壁碳纳米管杂化PSS/PEI络合物；
(2)铸膜液的配制：在30℃下，用质量分数为1％的乙酸酸水溶液配制质量分数为1.5％的酸化多壁碳纳米管杂化PSS/PEI络合物铸膜液；
(3)无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备：将所得的铸膜液过滤、静置脱泡，再用刮膜刀将其均匀涂覆于聚砜超滤膜上，在30℃下烘36h得到酸化多壁碳纳米管杂化PSS/PEI络合物渗透汽化膜。该膜在60℃下分离30wt％的水/异丙醇溶液时，通量为4876g/m2h，透过液中水含量为99.12wt％。
实施例5：
一种无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物的制备：在30℃下，将60mg酸化多壁碳纳米管在搅拌与超声下加入0.4kg质量分数为0.5％的PVS水溶液中，得到掺杂酸化多壁碳纳米管的PVS水溶液；配制pH值为10质量分数为0.1％的PAH氢氧化钠水溶液；将掺杂酸化多壁碳纳米管的PVS水溶液以15ml/min的速度滴加入PAH氢氧化钠水溶液中，经沉淀、洗涤，在60℃下烘12h，得到酸化多壁碳纳米管杂化PVS/PAH络合物；
(2)铸膜液的配制：在30℃下，用质量分数为0.5％的盐酸水溶液配制质量分数为2％的酸化多壁碳纳米管杂化PVS/PAH络合物铸膜液；
(3)无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备：将所得的铸膜液过滤、静置脱泡，再用刮膜刀将其均匀涂覆于聚砜超滤膜上，在30℃下烘36h得到酸化多壁碳纳米管杂化PVS/PAH络合物渗透汽化膜。该膜在60℃下分离30wt％的水/异丙醇溶液时，通量为5456g/m2h，透过液中水含量为97.62wt％。
实施例6：
一种无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物的制备：在30℃下，将50mg氧化石墨烯在搅拌与超声下加入2.5kg质量分数为0.1％的PSS水溶液中，得到掺杂氧化石墨烯的PSS水溶液；配制pH值为9.0质量分数为0.1％的PAH氢氧化钾水溶液；将氧化石墨烯的PSS水溶液以25ml/min的速度滴加入PAH氢氧化钾水溶液中，经沉淀、洗涤，在60℃下烘12h，得到氧化石墨烯杂化PSS/PAH络合物；
(2)铸膜液的配制：在30℃下，用质量分数为2％的醋酸水溶液配制质量分数为2％的氧化石墨烯杂化PSS/PAH络合物铸膜液；
(3)无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备：将所得的铸膜液过滤、静置脱泡，再用刮膜刀将其均匀涂覆于聚砜超滤膜上，在30℃下烘36h得到氧化石墨烯杂化PSS/PAH络合物渗透汽化膜。该膜在60℃下分离30wt％的水/异丙醇溶液时，通量为4876g/m2h，透过液中水含量为96.62wt％。
实施例7：
一种无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物的制备：在30℃下，将30mg纳米二氧化硅粒子在搅拌与超声下加入6kg质量分数为0.05％的DSS水溶液中，得到掺杂纳米二氧化硅粒子的DSS水溶液；配制pH值为9.0质量分数为0.1％的PVA丙酸水溶液；将掺杂二氧化硅的DSS水溶液以40ml/min的速度滴加入PVA丙酸水溶液中，经沉淀、洗涤，在60℃下烘12h，得到纳米二氧化硅粒子杂化DSS/PVA络合物；
(2)铸膜液的配制：在30℃下，用质量分数为2％的甲酸水溶液配制质量分数为1％的纳米二氧化硅粒子杂化DSS/PVA络合物铸膜液；
(3)无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备：将所得的铸膜液过滤、静置脱泡，再用刮膜刀将其均匀涂覆于聚砜超滤膜上，在30℃下烘36h得到纳米二氧化硅粒子杂化DSS/PVA络合物渗透汽化膜。该膜在60℃下分离30wt％的水/异丙醇溶液时，通量为4956g/m2h，透过液中水含量为97.62wt％。
实施例8：
一种无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物的制备：在30℃下，将50mg酸化多壁碳纳米管在搅拌与超声下加入2.5kg质量分数为0.2％的PVS水溶液中，得到掺杂酸化多壁碳纳米管的PVS水溶液；配制pH值为7.5质量分数为0.1％的PVA盐酸水溶液；将掺杂酸化多壁碳纳米管的PVS水溶液以30ml/min的速度滴加入PVA盐酸水溶液中，经沉淀、洗涤，在60℃下烘12h，得到酸化多壁碳纳米管杂化PVS/PVA络合物；
(2)铸膜液的配制：在30℃下，用质量分数为2％的乙酸水溶液配制质量分数为2％的酸化多壁碳纳米管杂化PVS/PVA络合物铸膜液；
(3)无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备：将所得的铸膜液过滤、静置脱泡，再用刮膜刀将其均匀涂覆于聚砜超滤膜上，在30℃下烘36h得到酸化多壁碳纳米管杂化PVS/PVA络合物渗透汽化膜。该膜在60℃下分离30wt％的水/异丙醇溶液时，通量为4656g/m2h，透过液中水含量为99.62wt％。
实施例9：
一种无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物的制备：在30℃下，将90mg氧化石墨烯在搅拌与超声下加入3kg质量分数为0.3％的PSS水溶液中，得到掺杂氧化石墨烯的PSS水溶液；配制pH值为8.0质量分数为0.2％的PVA甲酸水溶液；将掺杂氧化石墨烯的PSS水溶液以40ml/min的速度滴加入PVA甲酸水溶液中，经沉淀、洗涤，在60℃下烘16h，得到氧化石墨烯杂化PSS/PVA络合物；
(2)铸膜液的配制：在30℃下，用质量分数为1％的甲酸水溶液配制质量分数为1.5％的氧化石墨烯杂化PSS/PVA络合物铸膜液；
(3)无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备：将所得的铸膜液过滤、静置脱泡，再用刮膜刀将其均匀涂覆于聚丙烯腈超滤膜上，在25℃下烘48h得到氧化石墨烯杂化PSS/PVA络合物渗透汽化膜。该膜在60℃下分离30wt％的水/异丙醇溶液时，通量为4586g/m2h，透过液中水含量为98.73wt％。
Claims (9)
1.一种无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备方法，包括如下步骤：
（1）无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物的制备：在10-40℃下，将无机纳米粒子在搅拌与超声下加入阴离子聚电解质水溶液中，得到掺杂无机纳米粒子的阴离子聚电解质水溶液；配制pH值为5.8-10.0的阳离子聚电解质水溶液；将掺杂无机纳米粒子的阴离子聚电解质水溶液以15-50ml/min的速度滴加入阳离子聚电解质水溶液中，经沉淀、洗涤，在40-60℃下烘12-36h，得到无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物；
（2）铸膜液的配制：在10-60℃下，用一元酸水溶液配制质量分数为0.3%-3%的无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物铸膜液；
（3）无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜的制备：将所得的铸膜液过滤、静置脱泡，再用刮膜刀将其均匀涂覆于支撑膜上，在20-50℃下烘6-48h得到无机纳米杂化荷正电聚电解质络合物渗透汽化膜。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述的无机纳米粒子为氧化石墨烯、酸化多壁碳纳米管、纳米二氧化硅粒子。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤（1）中无机纳米粒子占阴离子聚电解质的质量百分数为0.5-5%。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于步骤（1）中所述的阳离子聚电解质水溶液的质量分数为0.03-0.3%，步骤（1）中所述的阴离子聚电解质水溶液的质量分数为0.05-0.5%。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述的阴离子聚电解质为聚乙烯磺酸钠、聚苯乙烯磺酸钠、葡聚糖硫酸钠中的一种；步骤（1）中所述的阳离子聚电解质为壳聚糖、聚烯丙基胺盐酸盐、聚乙烯亚胺、聚乙烯胺中的一种。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述的阳离子聚电解质的重均分子量在80000-800000之间。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述阳离子聚电解质水溶液的pH值为5.8-10.0，调节溶液的pH值为用盐酸、醋酸、甲酸、丙酸、氢氧化钠或氢氧化钾。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤（2）中所述的一元酸水溶液为质量分数为0.5-5%的盐酸、甲酸、乙酸或丙酸水溶液。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的支撑膜为聚砜超滤膜或聚丙烯腈超滤膜。
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Also Published As
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