CN106807251A - 聚乙烯亚胺‑单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜及制备和应用 - Google Patents
聚乙烯亚胺‑单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜及制备和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种聚乙烯亚胺‑单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜,该超薄复合膜厚度小于为300nm,由聚乙烯亚胺层和单宁酸层构成,利用聚乙烯亚胺和单宁酸进行反应性的层层自组装形成,其中,聚乙烯亚胺溶液、单宁酸溶液的交替组装次数为1.5‑5.5。其制备过程包括:制备聚丙烯腈超滤膜水解;配制聚乙烯亚胺溶液和单宁酸溶液,并用HCl和NaOH分别调聚乙烯亚胺溶液和单宁酸溶液的pH;利用聚乙烯亚胺溶液,单宁酸溶液在摇床中的交替组装。本发明超薄复合膜的制备方法简便,膜内共价作用强,制得的膜材料用于渗透蒸发乙醇脱水,具有较好的渗透通量和分离因子。
Description
技术领域
本发明涉及聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜及制备和应用,属于复合膜技术领域。
背景技术
随着工业化进程的加快,人类生产活动对能源的需求量不断增加,能源短缺已经成为制约人类社会发展的关键问题之一。燃料乙醇作为一种新型可再生的液体燃料,具有很好的应用前景。其生产方法主要是多糖类发酵法,由于细菌自身特性,获得的原料中水含量高,因此必须脱水,这是生产燃料乙醇耗能最大的步骤。作为一种绿色节能的乙醇脱水技术,膜分离在乙醇脱水领域具有广阔的应用前景。
膜分离中的醇水分离依赖于渗透蒸发技术,其关键在于获得高性能膜材料。依据渗透蒸发的溶解扩散机理,高性能的膜材料需要同时具备高溶解选择性和扩散选择性,以促进水的吸附和跨膜扩散。聚乙烯亚胺是一种水溶性高分子,有吸湿性,其水溶液自身带正电。单宁酸是有较强粘附能力的多酚化合物,广泛存在于植物中,具有廉价易得的优点。层层自组装是一种常用的制备超薄复合膜的方法,但传统制备技术制备超薄膜多是基于静电作用或氢键,制得的膜稳定性不够好,而基于化学反应制备的层层自组装膜则更为稳定。到目前为止,聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜用于渗透蒸发未见文献报道。
发明内容
针对上述技术现状,本发明提供一种聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜及制备和应用,本发明基于多酚与氨基在弱碱性,常温常压下即可发生希夫碱/迈克尔加成反应的原理,利用聚乙烯亚胺和单宁酸进行反应性的层层自组装。本方法制备的膜材料用于渗透蒸发乙醇脱水,具有较好的渗透通量和分离因子。
本发明提出的一种聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜,该复合膜由聚乙烯亚胺层和单宁酸层构成;利用聚乙烯亚胺和单宁酸进行反应性的层层自组装形成,其中,聚乙烯亚胺溶液、单宁酸溶液的交替组装次数为1.5-5.5。
本发明提出的一种聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜的制备方法,包括以下步骤:
步骤一、将聚丙烯腈超滤膜放入摩尔浓度为1.5mol/L的氢氧化钠溶液中热处理1h,用蒸馏水冲洗晾干,得到水解聚丙烯腈超滤膜,记作膜A;
步骤二、室温下,配制质量体积浓度为2-4g/L的聚乙烯亚胺溶液,并用摩尔浓度为0.5mol/L的HCl溶液调节pH为8-10,得到溶液A;
步骤三、室温下,配制质量体积浓度为2g/L的单宁酸溶液,并用摩尔浓度为0.5mol/L的NaOH溶液调节pH为8-10,得到溶液B;
步骤四、将步骤一得到的膜A,在摇床上交替浸泡在溶液A和溶液B中,浸泡在溶液A和溶液B后均水洗;浸泡时间为15分钟,温度为30℃;交替浸泡的次数为1-5次;
步骤五、将步骤四获得的膜,在摇床上浸泡在溶液A中,并水洗,浸泡时间为15分钟,温度为30℃;
步骤六、对步骤五处理后的膜在室温下静置干燥,获得聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜。
进一步讲,聚乙烯亚胺溶液的质量体积浓度优选为2g/L或4g/L。溶液A和溶液B的pH值优选为8或10。
将本发明制备得到的聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜用作渗透蒸发乙醇脱水膜,其渗透通量至少为1343g/m2h,分离因子至少为280。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
本发明制备过程主要包括利用NaOH溶液水解聚丙烯腈超滤膜;配制聚乙烯亚胺溶液,单宁酸溶液并分别用HCl和NaOH调pH;在摇床中,利用聚乙烯亚胺溶液,单宁酸溶液在水解聚丙烯腈超滤膜上交替组装。本发明超薄复合膜的制备方法简便,聚乙烯亚胺和单宁酸之间可以发生化学反应,制得的膜比物理作用的膜更稳定,性能更好。膜厚度小于300nm,制备的超薄复合膜用于渗透蒸发乙醇脱水,分离性能较好。
附图说明
图1为对比例1的膜断面扫描电镜图;
图2为实施例1的膜表面扫描电镜图;
图3为实施例2的膜表面扫描电镜图;
图4为实施例3的膜断面扫描电镜图。
具体实施方式
本发明提出的一种聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜,其厚度小于300nm,由聚乙烯亚胺层和单宁酸层构成;该复合膜是利用聚乙烯亚胺和单宁酸进行反应性的层层自组装形成,其中,聚乙烯亚胺溶液、单宁酸溶液的交替组装次数为1.5-5.5。
以下通过实施例讲述本发明的详细过程,提供实施例是为了理解的方便,绝不是限制本发明。下述对比例和实施例中,进行渗透蒸发乙醇脱水的装置为瑞士CMCelfa AG公司生产的P-28型平板膜组件,操作流量60L/h,下游侧真空度<0.3kPa。
对比例1:
1)将聚丙烯腈超滤膜放入1.5mol/L氢氧化钠溶液中热处理1h。用蒸馏水冲洗晾干备用得到水解聚丙烯腈超滤膜;
2)室温下,配制质量浓度为6g/L的聚乙烯亚胺溶液,并用摩尔浓度为0.5mol/L的HCl溶液将聚乙烯亚胺溶液调至pH=8;
3)用步骤2)获得的聚乙烯亚胺溶液对1)获得的水解聚丙烯腈超滤膜在摇床中进行组装;
4)将步骤3)获得的膜室温干燥,获得聚乙烯亚胺/水解聚丙烯腈超薄复合膜。
图1为对比例1的膜断面扫描电镜图。可见分离层与下面的支撑层结合紧密,界面没有明显界限,说明层间结合好没有缺陷,膜的厚度大约280nm。由于聚乙烯亚胺溶于水和乙醇,因此该膜没有用于渗透蒸发乙醇脱水。
实施例1:聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜的制备,步骤如下:
1)制备水解聚丙烯腈超滤膜:将聚丙烯腈超滤膜放入摩尔浓度为1.5mol/L的氢氧化钠溶液中热处理1h,用蒸馏水冲洗晾干,得到水解聚丙烯腈超滤膜;
2)配制聚乙烯亚胺溶液:室温下,配制质量体积浓度为2g/L的聚乙烯亚胺溶液,并用摩尔浓度为0.5mol/L的HCl溶液调节pH为8,得到溶液A;
3)配制单宁酸溶液:室温下,配制质量体积浓度为2g/L的单宁酸溶液,并用摩尔浓度为0.5mol/L的NaOH溶液调节pH为8,得到溶液B;
4)利用上述的聚乙烯亚胺和单宁酸进行反应性的层层自组装:将步骤一得到的水解聚丙烯腈超滤膜,在摇床上交替浸泡在溶液A和溶液B中,在溶液A和溶液B中浸泡的时间均为15分钟,温度为30℃;浸泡在溶液A和溶液B后均水洗;上述交替浸泡的次数为4次;然后,30℃下,再在摇床上浸泡在溶液A中15分钟,并水洗;将处理后的膜在室温下静置干燥,获得聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜,膜厚大约为260nm。
图2为实施例1获得的聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜的表面扫描电镜图,可见膜表面光滑,超滤膜表面的孔被完全覆盖。用于渗透蒸发乙醇脱水,通量1343g/m2h,分离因子1012。
实施例2:聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜的制备,步骤与实施例1基本相同,不同之处仅在于:步骤2)中聚乙烯亚胺溶液的质量体积浓度为4g/L;步骤4)中交替浸泡的次数为3次;最终获得膜厚约为300nm的聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜。图3为实施例2获得的聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜的表面扫描电镜图,可见膜表面光滑,超滤膜表面的孔被完全覆盖。用于渗透蒸发乙醇脱水,通量1930g/m2h,分离因子280。
实施例3:聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜,步骤与实施例1基本相同,不同之处仅在于:步骤2)和3)中聚乙烯亚胺溶液和单宁酸溶液的pH分别调整到10;最终获得膜厚约为280nm的聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜。图4为实施例3获得的聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜的断面扫描电镜图,可见分离层与下面的支撑层结合紧密,界面没有明显界限,说明层间结合好,没有缺陷,膜的厚度大约260nm。用于渗透蒸发乙醇脱水,通量1493g/m2h,分离因子807。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是限制性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨的情况下,还可以做出很多变形,这些均属于本发明的保护之内。
Claims (7)
1.一种聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜,其特征在于:该复合膜由聚乙烯亚胺层和单宁酸层构成;利用聚乙烯亚胺和单宁酸进行反应性的层层自组装形成,其中,聚乙烯亚胺溶液、单宁酸溶液的交替组装次数为1.5-5.5。
2.一种根据权利要求1所述聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、将聚丙烯腈超滤膜放入摩尔浓度为1.5mol/L的氢氧化钠溶液中热处理1h,用蒸馏水冲洗晾干,得到水解聚丙烯腈超滤膜,记作膜A;
步骤二、室温下,配制质量体积浓度为2-4g/L的聚乙烯亚胺溶液,并用摩尔浓度为0.5mol/L的HCl溶液调节pH为8-10,得到溶液A;
步骤三、室温下,配制质量体积浓度为2g/L的单宁酸溶液,并用摩尔浓度为0.5mol/L的NaOH溶液调节pH为8-10,得到溶液B;
步骤四、将步骤一得到的膜A,在摇床上交替浸泡在溶液A和溶液B中,浸泡在溶液A和溶液B后均水洗;浸泡时间为15分钟,温度为30℃;交替浸泡的次数为1-5次;
步骤五、将步骤四获得的膜,在摇床上浸泡在溶液A中,并水洗,浸泡时间为15分钟,温度为30℃;
步骤六、对步骤五处理后的膜在室温下静置干燥,获得聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜。
3.根据权利要求2所述聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜的制备方法,其特征在于:步骤二中聚乙烯亚胺溶液的质量体积浓度为2g/L。
4.根据权利要求2所述聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜的制备方法,其特征在于:步骤二中聚乙烯亚胺溶液的质量体积浓度为4g/L。
5.根据权利要求2所述聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜的制备方法,其特征在于:步骤二和步骤三得到的溶液A和溶液B的pH均为8。
6.根据权利要求2所述聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜的制备方法,其特征在于:步骤二和步骤三得到的溶液A和溶液B的pH均为10。
7.一种聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜的应用,其特征在于:将权利要求2至6中任一制备方法获得的聚乙烯亚胺-单宁酸/水解聚丙烯腈超薄复合膜用作渗透蒸发乙醇脱水膜,其渗透通量至少为1343g/m2h,分离因子至少为280。
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