CN105688691A - 一种抗污染聚醚砜膜的制备方法及其应用 - Google Patents

一种抗污染聚醚砜膜的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种表面接枝聚二甲基硅氧烷的抗污染聚醚砜膜的制备方法及其应用。该膜材料的制备是通过以下三步完成的，即先通过浸没沉淀相转换法制备聚醚砜基膜；然后在其表面接枝上具有高度反应活性的聚多巴胺分子层；最后利用膜表面聚多巴胺分子层上的活性醌基和氨基封端的聚二甲基硅氧烷发生迈克尔加成反应，制备表面接枝有聚二甲基硅氧烷(PDMS)的聚醚砜膜。该膜材料的制备方法简单，无需苛刻的反应条件，处理油水乳液时，截留率高达100％，通量衰竭率可降至13.9％，通量恢复率高达94.0％，在含油污水处理领域具有广泛的应用前景。

Description

一种抗污染聚醚砜膜的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种表面接枝聚二甲基硅氧烷抗污染聚醚砜膜制备方法，属于膜表面改性技术领域，表面改性后的聚醚砜膜具有抗油滴污染、低通量衰竭的功效。
背景技术
随着工业的高速发展，每天有大量的油(原油、有机物等)进入到水体中，形成含油污水。仅以采油行业为例，全球平均每天排出2.5～10亿桶的含油污水。如果不经过处理就直接排放，会造成严重的环境污染问题，不仅仅会恶化水体，破坏水资源，影响农作物的生长而且还会威胁到野生动物的生存以及人体健康。相对于传统的含油污水处理方法存在的诸多弊端，膜技术作为一种高效、节能、环保的新型分离技术，被认为是处理含油污水最有效的办法。
聚醚砜材料具有很好的热稳定性和化学稳定性，特别是抗臭氧氧化性能很好，是常用的膜材料。然而由于其自身的疏水性质，在油水处理的过程中，油滴易通过疏水作用吸附、沉积在膜表面及膜孔表面造成膜污染。引起膜的通量迅速减少，必须对膜进行物理或者是化学清洗，不仅会导致费用的增加，还会引起膜分离性能的下降。因此，需要对聚醚砜膜进行改性，以提高其抗污染能力。
早期的研究方向大多集中在通过提高聚醚砜膜的亲水性，可以在膜表面吸附大量的水分子，进而形成水化层，有效地避免油滴与膜表面直接接触，阻碍油滴在膜表面的吸附沉积，从而提高膜的抗污染能力。然而油类污染物具有非常低的表面能，油滴粒子极易发生聚结、迁移及铺展，进而形成连续的油膜，堵塞膜孔，导致通量急剧下降。因此对聚醚砜膜进行改性，只是简单的亲水化改性是远远不够的，还得有效的阻碍油滴形成连续致密的油膜。研究发现通过在膜表面同时引入亲水链段和低表面能链段，既能有效的抑制油滴在膜表面的吸附沉积，又能阻碍形成连续的致密油膜，大幅度的提高膜的应用效率。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种表面接枝聚二甲基硅氧烷抗污染聚醚砜膜的制备方法，构建出亲水区和非极性低表面能区镶嵌的两亲性先进膜表面，以解决传统聚醚砜膜抗污染能力弱、易遭受严重的通量衰竭的问题。
发明内容：为解决上述技术问题，本发明提供一种抗污染聚醚砜膜的制备方法，该制备方法按照下述步骤进行：
1)以聚醚砜为成膜材料，以N，N-二甲基乙酰胺为溶剂配制铸膜液，在20-60℃下，搅拌2-12h，脱泡4-12h后刮膜，在空气中放置10-30s后，放入10-50℃水浴中凝固成膜，得到聚醚砜基膜；
2)将多巴胺溶于碱性缓冲溶液中，制成浓度为0.5-12.0g/L的多巴胺缓冲溶液，将上述制备的聚醚砜基膜的过滤面朝下浸入到新鲜配制的多巴胺缓冲溶液中，20-60℃下反应0.5-24h，将膜取出用去离子水冲洗，得到表面接枝有聚多巴胺分子层的聚醚砜膜；
3)将氨基封端的聚二甲基硅氧烷NH2-PDMS-NH2溶于乙醇中制成浓度为0.5-5.0g/L的溶液，将表面接枝有聚多巴胺分子层的聚醚砜膜置于其中，在20-60℃下反应0.5-24h，将膜取出后用乙醇冲洗得到表面接枝有聚二甲基硅氧烷的聚醚砜膜。
其中：
步骤1)中聚醚砜在铸膜液中的浓度为10.0-18.0wt％。
步骤2)中碱性缓冲溶液为pH＝7.2的巴比妥钠-盐酸缓冲溶液、pH＝8.5的三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液、pH＝9.4的甘氨酸-氢氧化钠缓冲溶液或pH＝10.3的碳酸钠-碳酸氢钠缓冲溶液中的一种。
步骤3)中所用的NH2-PDMS-NH2分子量为1000-4000。
本发明还提供一种抗污染聚醚砜膜的的应用，该膜材料表面接枝无毒的聚二甲基硅氧烷PDMS低表面能链段能够有效抵御油滴的吸附，可以用来高效、绿色的处理油水乳液。
有益效果：与现有的聚醚砜膜材料相比，本发明的优点在于：制备方法简单，无需苛刻反应条件，处理油水乳液时截留率高、抗油滴污染能力强，而且通量衰竭现象大大减轻。
具体实施方式
本发明提供了一种表面接枝聚二甲基硅氧烷抗污染聚醚砜膜的制备方法，其制备方法按如下步骤进行：(1)以聚醚砜为成膜材料，以N，N-二甲基乙酰胺为溶剂配制铸膜液，在20-60℃下，搅拌2-12h，脱泡4-12h后刮膜，在空气中放置10-30s后，放入10-50℃水浴中凝固成膜，得到聚醚砜基膜；(2)将多巴胺溶于碱性缓冲溶剂中，制成浓度为0.5-12.0g/L的多巴胺缓冲溶液，以上述制备的聚醚砜膜为基膜，将其过滤面朝下浸入到碱性缓冲溶剂下，20-60℃下，反应0.5-24h后将膜取出用去离子水冲洗，得到表面接枝有聚多巴胺分子层的聚醚砜膜；(3)将氨基封端的聚二甲基硅氧烷(NH2-PDMS-NH2)溶于乙醇中，制成浓度为0.5-5.0g/L的溶液，将表面接枝有聚多巴胺的聚醚砜膜置于其中，20-60℃下，反应0.5-24h后将膜取出用乙醇冲洗得到表面接枝有聚二甲基硅氧烷的聚醚砜膜。
优选的，聚醚砜在铸膜液中的浓度为10.0-18.0wt％。
优选的，所用的碱性缓冲溶剂为pH＝7.2的巴比妥钠-盐酸缓冲溶液、pH＝8.5的三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液、pH＝9.4的甘氨酸-氢氧化钠缓冲溶液、pH＝10.3的碳酸钠-碳酸氢钠缓冲溶液中的一种。
优选的，所用的NH2-PDMS-NH2分子量为1000-4000。
该聚醚砜膜材料的制备方法简单，无需苛刻反应条件，处理油水乳液时抗油滴污染能力强，而且通量衰竭现象大大减轻，在含油水乳液处理领域具有广泛的应用前景。
实施例1：取4.0g聚醚砜溶于36.0gN，N-二甲基乙酰胺中，在60℃下，搅拌12h，脱泡6h后刮膜，在空气中放置15s后，放入25℃水浴中凝固成膜，得到聚醚砜基膜，反复用去离子水冲洗后，待用。取0.05g多巴胺溶于100mlpH＝7.2的巴比妥钠-盐酸缓冲溶液，将上述制备的聚醚砜膜过滤面朝下浸入其中，于30℃下反应12h将膜取出用去离子水冲洗，得到表面接枝聚多巴胺分子层的聚醚砜膜。取0.1g氨基封端的聚二甲基硅氧烷(NH2-PDMS-NH2，分子量为1000)溶于100ml乙醇中，制成浓度为1.0g/L的溶液，将表面接枝有聚多巴胺分子层的聚醚砜膜置于其中，50℃下，反应12h后将膜取出用乙醇冲洗得到表面接枝有聚二甲基硅氧烷的聚醚砜膜。所制得的膜进行油水乳液超滤实验(操作温度为25℃，操作压力为0.1MPa，油水乳化液含油浓度为0.9g/L)，纯水通量为487.2L/m2h，油滴截留率67.2％，油水通量为183.7L/m2h，通量衰竭率为62.3％，经去离子水冲洗后具有64.2％的通量恢复率。
实施例2：取5.2g聚醚砜溶于34.8gN，N-二甲基乙酰胺中，在60℃下，搅拌12h，脱泡6h后刮膜，在空气中放置15s后，放入25℃水浴中凝固成膜，得到聚醚砜基膜，反复用去离子水冲洗后，待用。取0.2g多巴胺溶于100mlpH＝8.5的三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液，将上述制备的聚醚砜膜过滤面朝下浸入其中，于40℃下反应6h将膜取出用去离子水冲洗，得到表面接枝聚多巴胺分子层的聚醚砜膜。取0.3g氨基封端的聚二甲基硅氧烷(NH2-PDMS-NH2，分子量为2500)溶于100ml乙醇中，制成浓度为3.0g/L的溶液，将表面接枝有聚多巴胺分子层的聚醚砜膜置于其中，50℃下，反应12h后将膜取出用乙醇冲洗得到表面接枝有聚二甲基硅氧烷的聚醚砜膜。所制得的膜进行油水乳液超滤实验(操作温度为25℃，操作压力为0.1MPa，油水乳化液含油浓度为0.9g/L)，纯水通量为287.2L/m2h，油滴截留率100％，油水通量为241.8L/m2h，通量衰竭率为15.8％，经去离子水冲洗后具有94.2％的通量恢复率。
实施例3：取5.2g聚醚砜溶于34.8gN，N-二甲基乙酰胺中，在60℃下，搅拌12h，脱泡6h后刮膜，在空气中放置15s后，放入25℃水浴中凝固成膜，得到聚醚砜基膜，反复用去离子水冲洗后，待用。取0.4g多巴胺溶于100mlpH＝8.5的三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液，将上述制备的聚醚砜膜过滤面朝下浸入其中，于40℃下反应3h将膜取出用去离子水冲洗，得到表面接枝聚多巴胺分子层的聚醚砜膜。取0.4g氨基封端的聚二甲基硅氧烷(NH2-PDMS-NH2，分子量为2500)溶于100ml乙醇中，制成浓度为4.0g/L的溶液，将表面接枝有聚多巴胺分子层的聚醚砜膜置于其中，50℃下，反应24h后将膜取出用乙醇冲洗得到表面接枝有聚二甲基硅氧烷的聚醚砜膜。所制得的膜进行油水乳液超滤实验(操作温度为25℃，操作压力为0.1MPa，油水乳化液含油浓度为0.9g/L)，纯水通量为261.5L/m2h，油滴截留率100％，油水通量为225.2L/m2h，通量衰竭率为13.9％，经去离子水冲洗后具有92.2％的通量恢复率。
实施例4：取6.0g聚醚砜溶于34.0gN，N-二甲基乙酰胺中，在60℃下，搅拌12h，脱泡6h后刮膜，在空气中放置15s后，放入25℃水浴中凝固成膜，得到聚醚砜基膜，反复用去离子水冲洗后，备用。取0.4g多巴胺溶于100mlpH＝9.4的甘氨酸-氢氧化钠缓冲溶液，将上述制备的聚醚砜膜过滤面朝下浸入其中，于40℃下反应4h将膜取出用去离子水冲洗，得到表面接枝聚多巴胺分子层的聚醚砜膜。取0.2g氨基封端的聚二甲基硅氧烷(NH2-PDMS-NH2，分子量为4000)溶于100ml乙醇中，制成浓度为2.0g/L的溶液，将表面接枝有聚多巴胺分子层的聚醚砜膜置于其中，50℃下，反应12h后将膜取出用乙醇冲洗得到表面接枝有聚二甲基硅氧烷的聚醚砜膜。所制得的膜进行油水乳液超滤实验(操作温度为25℃，操作压力为0.1MPa，油水乳化液含油浓度为0.9g/L)，纯水通量为177.1L/m2h，油滴截留率100％，油水通量为114.8L/m2h，通量衰竭率为35.2％，经去离子水冲洗后具有79.2％的通量恢复率。
实施例5：取7.2g聚醚砜溶于32.8gN，N-二甲基乙酰胺中，在60℃下，搅拌12h，脱泡6h后刮膜，在空气中放置15s后，放入25℃水浴中凝固成膜，得到聚醚砜基膜，反复用去离子水冲洗后，待用。取0.05g多巴胺溶于100mlpH＝10.3的碳酸钠-碳酸氢钠缓冲溶液，将上述制备的聚醚砜膜过滤面朝下浸入其中，于30℃下反应4h将膜取出用去离子水冲洗，得到表面接枝聚多巴胺分子层的聚醚砜膜。取0.3g氨基封端的聚二甲基硅氧烷(NH2-PDMS-NH2，分子量为4000)溶于100ml乙醇中，制成浓度为3.0g/L的溶液，将表面接枝有聚多巴胺分子层的聚醚砜膜置于其中，50℃下，反应12h后将膜取出用乙醇冲洗得到表面接枝有聚二甲基硅氧烷的聚醚砜膜。所制得的膜进行油水乳液超滤实验(操作温度为25℃，操作压力为0.1MPa，油水乳化液含油浓度为0.9g/L)，纯水通量为67.2L/m2h，油滴截留率100％，油水通量为36.4L/m2h，通量衰竭率为45.8％，经去离子水冲洗后具有71.2％的通量恢复率。

Claims (5)

1.一种抗污染聚醚砜膜的制备方法，其特征在于该制备方法按照下述步骤进行：
1)以聚醚砜为成膜材料，以N，N-二甲基乙酰胺为溶剂配制铸膜液，在20-60℃下，搅拌2-12h，脱泡4-12h后刮膜，在空气中放置10-30s后，放入10-50℃水浴中凝固成膜，得到聚醚砜基膜；
2)将多巴胺溶于碱性缓冲溶液中，制成浓度为0.5-12.0g/L的多巴胺缓冲溶液，将上述制备的聚醚砜基膜的过滤面朝下浸入到新鲜配制的多巴胺缓冲溶液中，20-60℃下反应0.5-24h，将膜取出用去离子水冲洗，得到表面接枝有聚多巴胺分子层的聚醚砜膜；
3)将氨基封端的聚二甲基硅氧烷NH2-PDMS-NH2溶于乙醇中制成浓度为0.5-5.0g/L的溶液，将表面接枝有聚多巴胺分子层的聚醚砜膜置于其中，在20-60℃下反应0.5-24h，将膜取出后用乙醇冲洗得到表面接枝有聚二甲基硅氧烷的聚醚砜膜。
2.根据权利要求1所述的抗污染聚醚砜膜的制备方法，其特征在于步骤1)中聚醚砜在铸膜液中的浓度为10.0-18.0wt％。
3.根据权利要求1所述的抗污染聚醚砜膜的制备方法，其特征在于步骤2)中碱性缓冲溶液为pH＝7.2的巴比妥钠-盐酸缓冲溶液、pH＝8.5的三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液、pH＝9.4的甘氨酸-氢氧化钠缓冲溶液或pH＝10.3的碳酸钠-碳酸氢钠缓冲溶液中的一种。
4.根据权利要求1所述的抗污染聚醚砜膜的制备方法，其特征在于步骤3)中所用的NH2-PDMS-NH2分子量为1000-4000。
5.一种由权利要求1、2、3或4所述的方法制备的抗污染聚醚砜膜的的应用，其特征在于，该膜材料表面接枝无毒的聚二甲基硅氧烷PDMS低表面能链段能够有效抵御油滴的吸附，可以用来高效、绿色的处理油水乳液。
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