CN105903356A - 一种耐酸性聚电解质复合膜的层层自组装制备方法 - Google Patents

一种耐酸性聚电解质复合膜的层层自组装制备方法 Download PDF

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Abstract

一种耐酸性聚电解质复合膜的层层自组装制备方法，属于膜分离技术领域。在正压条件下将聚阳离子聚乙烯亚胺和聚阴离子海藻酸钠通过静电力作用层层组装制备出对有机物/水体系具有优异分离性能的渗透汽化膜，该膜能很大程度提高醇/水的分离因子，尤其对酸性条件下有机物/水体系(醇/水)具有优异分离性能。

Description

一种耐酸性聚电解质复合膜的层层自组装制备方法
技术领域
本发明涉及一种多层聚电解质渗透汽化复合膜的制备方法，属于膜分离技术领域。
背景技术
随着膜技术领域的迅猛发展，膜材料的研究越来越受到广泛重视。有机聚合物膜由于能够克服无机膜的脆性和高成本等缺点具有较大的应用前景。海藻酸钠是从褐藻类的海带或马尾藻中提取得到的高分子多糖，它是由α-L-古罗糖醛酸与β-D-甘露糖醛酸通过α(1-4)糖苷键链接而成的线性嵌段共聚物，具有良好的安全性及生物相容性，并且储存量丰富、可再生，被广泛应用于医药、食品、纺织等产品中。海藻酸钠含有大量的羧基和羟基使其具有较高的亲水性，也易于被修饰改性，同时其本身具有良好的成膜性，在膜分离领域有广泛的应用。
层-层吸附(Layer-by-Layer adsorption，简称LbL)广泛应用于膜材料的制备，该方法利用带相反电荷聚电解质之间的静电作用在液-固界面交替沉积形成多层膜。由于LbL方法具有成膜条件温和、操作简单等优点，因此被认为是构筑复合超薄膜结构的有效方法。但传统LbL制备具有优良分离性能的渗透汽化分离膜，通常需要制备50-60层，且耗时较长，不利于规模化生产，而且所制备的膜面向酸性体系时分离性能和稳定性有待进一步提高。本发明引入仿生材料海藻酸钠(SA)与传统材料聚乙烯亚胺(PEI)在正压下吸附过滤层层自组装，在复合较少层数的前提下获得性能优良的渗透汽化膜并在酸性条件下仍具有较好的稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备耐酸性聚电解质复合膜的自组装方法。在正压条件下将聚阳离子聚乙烯亚胺和聚阴离子海藻酸钠通过静电力作用层层组装制备出对有机物/水体系具有优异分离性能的渗透汽化膜，该膜能很大程度提高中性条件下醇/水的分离因子，同时还对酸性条件下有机物/水体系(醇/水)具有优异分离性能。
该方法包括以下步骤：
(1)基膜预处理：将聚丙烯腈(PAN)膜使用含30wt％的乙醇水溶液洗去表面杂质并用去离子水冲洗；冲洗后的基膜放入到抽滤瓶中抽吸3～24h至膜表面无气泡产生；将基膜浸在NaOH溶液(优选2mol/L)中保持65℃水解30min，然后用去离子水漂洗至中性；
(2)室温下分别配置一定浓度的聚乙烯亚胺(PEI)和海藻酸钠(SA)水溶液，搅拌均匀后过夜脱泡；
(3)将PAN基膜固定到超滤杯底部，加入PEI溶液后在一定压力下，稳定吸附10～50min，取出膜片用去离子水冲洗并在烘箱中干燥一段时间；
(4)将步骤(3)中表面吸附PEI的膜片固定到超滤杯底部，加入SA溶液后在一定压力下，稳定吸附10～50min，取出膜片用去离子水冲洗并在烘箱中干燥一段时间；
(5)重复步骤(3)-(4)数次制得具有一定层数的PAN/PEI/SA复合膜。
在本发明方法中，所述用于基膜是PAN超滤膜，对其表面进行化学改性，使其表面具有负电荷，利于与阳离子发生静电作用；优选制膜液海藻酸钠浓度为0.18wt％-0.75wt％，聚乙烯亚胺浓度为0.25wt％；成膜过程中压力为0.1～0.3MPa，成膜时间为10～50min；制得的复合膜层数为1-100层，其中还包括整层加半层的层数，整层的表示最外层为SA，半层的最外层为PEI；干燥时烘箱的温度为20～80℃，优选60～80℃，干燥时间为0.5～48h。
本发明提出一种多层聚电解质渗透汽化复合膜的制备方法。其特征在于当有机物/水进料液在不同的pH值时，进料液温度为50～80℃，聚电介质复合物膜对有机物/水混合体系中的水具有较高的选择透过性。
上述膜用于有机物/水体系的分离，尤其适用于中性、酸性条件下乙醇/水体系的分离。
本发明技术方案的原理是：在一定压力作用下将聚阴离子SA和聚阳离子PEI制膜液交替在基膜表面过滤吸附形成均匀超薄的致密膜。在利用静电力和压力的条件下，引入耐酸的仿生材料海藻酸钠使制得的膜更致密，亲水性也较好，在层层吸附自组装中复合较少的层数后就获得了具有高分离因子和通量的渗透汽化膜，从而大大缩短制膜时间，简化制膜程序，并且该渗透汽化膜具有优异的耐酸性能。
附图说明
图1为PAN超滤膜表面扫描电镜图。
图2为实施例1的膜表面扫描电镜图。
具体实施方式
下面给出具体实施例对本发明做详细的说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
采用基膜为聚丙烯腈(PAN)材料，平板超滤膜，膜面积为3.141cm2，所用聚阳离子材料为线型聚乙烯亚胺(PEI，分子量为6万)，聚阴离子为海藻酸钠(SA，粘度0.02)，聚乙烯亚胺和海藻酸钠的溶剂均为水。
组装条件及方法
(1)以超滤膜PAN为基膜，使用2.0mol/L的氢氧化钠溶液在65℃下对基膜处理30min，然后用去离子水冲洗至pH值为7。
(2)用去离子水将聚乙烯亚胺配制成0.25wt％的溶液，用去离子水将海藻酸钠配成0.375wt％的溶液，静置脱泡。
(3)在0.3MPa压力下，将聚乙烯亚胺溶液在聚丙烯腈上吸附过滤30min，使膜表面形成凝胶层。去离子水冲洗后放在60℃烘箱中干燥1h。
(4)在0.3MPa压力下，将海藻酸钠溶液在聚乙烯亚胺层上吸附过滤30min。去离子水冲洗后放在60℃烘箱中干燥1h。
(5)重复步骤(3)，即可形成复合层数为1.5层的聚电解质复合膜。
将上述组装聚电解质多层膜在膜池中进行渗透汽化性能测试，测试条件为：进料液为pH＝3的乙醇含量为90％的乙醇/水体系，评价温度为60℃，膜下游压力为100Pa。
测得的渗透汽化膜性能为：渗透通量为1.203kg·m-2·h-1，透过液水溶液浓度99.42wt％，分离因子为1540。
实施例2
采用基膜为聚丙烯腈(PAN)材料，平板超滤膜，膜面积为3.141cm2，所用聚阳离子材料为线型聚乙烯亚胺(PEI，分子量为6万)，聚阴离子为海藻酸钠(SA，粘度0.02)，聚乙烯亚胺和海藻酸钠的溶剂均为水。
组装条件及方法
(1)以超滤膜PAN为基膜，使用2.0mol/L的氢氧化钠溶液在65℃下对基膜处理30min，然后用去离子水冲洗至pH值为7。
(2)用去离子水将聚乙烯亚胺配制成0.25wt％的溶液，用去离子水将海藻酸钠配成0.375wt％的溶液，静置脱泡。
(3)在0.3MPa压力下，将聚乙烯亚胺溶液在聚丙烯腈上吸附过滤30min，使膜表面形成凝胶层。去离子水冲洗后放在60℃烘箱中干燥1h。
(4)在0.3MPa压力下，将海藻酸钠溶液在聚乙烯亚胺层上吸附过滤30min。去离子水冲洗后放在60℃烘箱中干燥1h。
(5)重复步骤(3)-(4)，即可形成复合层数为2.0层的聚电解质复合膜。
将上述组装聚电解质多层膜在膜池中进行渗透汽化性能测试，测试条件为：进料液为pH＝3的乙醇含量为90％的乙醇/水体系，评价温度为60℃，膜下游压力为100Pa。
测得的渗透汽化膜性能为：渗透通量为0.662kg·m-2·h-1，透过液水溶液浓度99.604wt％，分离因子为2263。
实施例3
采用基膜为聚丙烯腈(PAN)材料，平板超滤膜，膜面积为3.141cm2，所用聚阳离子材料为线型聚乙烯亚胺(PEI，分子量为6万)，聚阴离子为海藻酸钠(SA，粘度0.02)，聚乙烯亚胺和海藻酸钠的溶剂均为水。
组装条件及方法
(1)以超滤膜PAN为基膜，使用2.0mol/L的氢氧化钠溶液在65℃下对基膜处理30min，然后用去离子水冲洗至pH值为7。
(2)用去离子水将聚乙烯亚胺配制成0.25wt％的溶液，用去离子水将海藻酸钠配成0.375wt％的溶液，静置脱泡。
(3)在0.3MPa压力下，将聚乙烯亚胺溶液在聚丙烯腈上吸附过滤30min，使膜表面形成凝胶层。去离子水冲洗后放在60℃烘箱中干燥1h。
(4)在0.3MPa压力下，将海藻酸钠溶液在聚乙烯亚胺层上吸附过滤30min。去离子水冲洗后放在60℃烘箱中干燥1h。
(5)重复步骤(3)-(4)，即可形成复合层数为3.5层的聚电解质复合膜。
将上述组装聚电解质多层膜在膜池中进行渗透汽化性能测试，测试条件为：进料液为pH＝3的乙醇含量为90％的乙醇/水体系，评价温度为60℃，膜下游压力为100Pa。
测得的渗透汽化膜性能为：渗透通量为0.967kg·m-2·h-1，透过液水溶液浓度99.964wt％，分离因子为24991。
实施例4
采用基膜为聚丙烯腈(PAN)材料，平板超滤膜，膜面积为3.141cm2，所用聚阳离子材料为线型聚乙烯亚胺(PEI，分子量为6万)，聚阴离子为海藻酸钠(SA，粘度0.02)，聚乙烯亚胺和海藻酸钠的溶剂均为水。
组装条件及方法
(1)以超滤膜PAN为基膜，使用2.0mol/L的氢氧化钠溶液在65℃下对基膜处理30min，然后用去离子水冲洗至pH值为7。
(2)用去离子水将聚乙烯亚胺配制成0.25wt％的溶液，用去离子水将海藻酸钠配成0.375wt％的溶液，静置脱泡。
(3)在0.3MPa压力下，将聚乙烯亚胺溶液在聚丙烯腈上吸附过滤30min，使膜表面形成凝胶层。去离子水冲洗后放在70℃烘箱中干燥1h。
(4)在0.3MPa压力下，将海藻酸钠溶液在聚乙烯亚胺层上吸附过滤30min。去离子水冲洗后放在70℃烘箱中干燥1h。
(5)重复步骤(3)，即可形成复合层数为1.5层的聚电解质复合膜。
将上述组装聚电解质多层膜在膜池中进行渗透汽化性能测试，测试条件为：进料液为pH＝3的乙醇含量为90％的乙醇/水体系，评价温度为60℃，膜下游压力为100Pa。
测得的渗透汽化膜性能为：渗透通量为0.993kg·m-2·h-1，透过液水溶液浓度99.562wt％，分离因子为2045。
实施例5
采用基膜为聚丙烯腈(PAN)材料，平板超滤膜，膜面积为3.141cm2，所用聚阳离子材料为线型聚乙烯亚胺(PEI，分子量为6万)，聚阴离子为海藻酸钠(SA，粘度0.02)，聚乙烯亚胺和海藻酸钠的溶剂均为水。
组装条件及方法
(1)以超滤膜PAN为基膜，使用2.0mol/L的氢氧化钠溶液在65℃下对基膜处理30min，然后用去离子水冲洗至pH值为7。
(2)用去离子水将聚乙烯亚胺配制成0.25wt％的溶液，用去离子水将海藻酸钠配成0.375wt％的溶液，静置脱泡。
(3)在0.3MPa压力下，将聚乙烯亚胺溶液在聚丙烯腈上吸附过滤30min，使膜表面形成凝胶层。去离子水冲洗后放在30℃烘箱中干燥1h。
(4)在0.3MPa压力下，将海藻酸钠溶液在聚乙烯亚胺层上吸附过滤30min。去离子水冲洗后放在30℃烘箱中干燥1h。
(5)重复步骤(3)，即可形成复合层数为1.5层的聚电解质复合膜。
将上述组装聚电解质多层膜在膜池中进行渗透汽化性能测试，测试条件为：进料液为pH＝3的乙醇含量为90％的乙醇/水体系，评价温度为60℃，膜下游压力为100Pa。
测得的渗透汽化膜性能为：渗透通量为1.604kg·m-2·h-1，透过液水溶液浓度98.586wt％，分离因子为627。
实施例6
采用基膜为聚丙烯腈(PAN)材料，平板超滤膜，膜面积为3.141cm2，所用聚阳离子材料为线型聚乙烯亚胺(PEI，分子量为6万)，聚阴离子为海藻酸钠(SA，粘度0.02)，聚乙烯亚胺和海藻酸钠的溶剂均为水。
组装条件及方法
(1)以超滤膜PAN为基膜，使用2.0mol/L的氢氧化钠溶液在65℃下对基膜处理30min，然后用去离子水冲洗至pH值为7。
(2)用去离子水将聚乙烯亚胺配制成0.25wt％的溶液，用去离子水将海藻酸钠配成0.375wt％的溶液，静置脱泡。
(3)在0.3MPa压力下，将聚乙烯亚胺溶液在聚丙烯腈上吸附过滤30min，使膜表面形成凝胶层。去离子水冲洗后放在60℃烘箱中干燥1h。
(4)在0.3MPa压力下，将海藻酸钠溶液在聚乙烯亚胺层上吸附过滤30min。去离子水冲洗后放在60℃烘箱中干燥1h。
(5)重复步骤(3)，即可形成复合层数为1.5层的聚电解质复合膜。
将上述组装聚电解质多层膜在膜池中进行渗透汽化性能测试，测试条件为：进料液为pH＝7的乙醇含量为90％的乙醇/水体系，评价温度为60℃，膜下游压力为100Pa。
测得的渗透汽化膜性能为：渗透通量为1.515kg·m-2·h-1，透过液水溶液浓度99.589wt％，分离因子为2180。

Claims (8)

1.一种耐酸性聚电解质复合膜的层层自组装制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基膜预处理：将聚丙烯腈(PAN)膜使用含30wt％的乙醇水溶液洗去表面杂质并用去离子水冲洗；冲洗后的基膜放入到抽滤瓶中抽吸3～24h至膜表面无气泡产生；将基膜浸在NaOH溶液中保持65℃水解30min，然后用去离子水漂洗至中性；
(2)室温下分别配置一定浓度的聚乙烯亚胺(PEI)和海藻酸钠(SA)水溶液，搅拌均匀后过夜脱泡；
(3)将PAN基膜固定到超滤杯底部，加入PEI溶液后在一定压力下，稳定吸附10～50min，取出膜片用去离子水冲洗并在烘箱中干燥一段时间；
(4)将步骤(3)中表面吸附PEI的膜片固定到超滤杯底部，加入SA溶液后在一定压力下，稳定吸附10～50min，取出膜片用去离子水冲洗并在烘箱中干燥一段时间；
(5)重复步骤(3)-(4)数次制得具有一定层数的PAN/PEI/SA复合膜。
2.按照权利要求1所述的一种耐酸性聚电解质复合膜的层层自组装制备方法，其特征在于，步骤(1)NaOH溶液浓度为2mol/L。
3.按照权利要求1所述的一种耐酸性聚电解质复合膜的层层自组装制备方法，其特征在于，制膜液海藻酸钠浓度为0.18wt％-0.75wt％，聚乙烯亚胺浓度为0.25wt％。
4.按照权利要求1所述的一种耐酸性聚电解质复合膜的层层自组装制备方法，其特征在于，成膜过程中压力为0.1～0.3MPa，成膜时间为10～50min。
5.按照权利要求1所述的一种耐酸性聚电解质复合膜的层层自组装制备方法，其特征在于，制得的复合膜层数为1-100层，其中还包括整层加半层的层数，整层的表示最外层为SA，半层的为PEI。
6.按照权利要求1所述的一种耐酸性聚电解质复合膜的层层自组装制备方法，其特征在于，干燥时烘箱的温度为20～80℃，干燥时间为0.5～48h。
7.按照权利要求1所述的一种耐酸性聚电解质复合膜的层层自组装制备方法，其特征在于，干燥时烘箱的温度为60-80℃。
8.权利要求1-7任一项所述的方法制备得到的耐酸性聚电解质复合膜可用于有机物/水体系的分离，尤其适用于中性、酸性条件下乙醇/水体系的分离。
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