CN106861468A - 复合抗污染聚合物分离膜及其制备方法 - Google Patents

复合抗污染聚合物分离膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合抗污染聚合物分离膜及其制备方法。本发明将物理吸附自由基聚合技术、超声波辅助原位聚合技术及环氧官能团开环聚合技术相结合，将两亲性物质天然氨基酸应用在聚合物分离膜的改性中，在聚合物膜材料的表面及膜孔内部形成了均匀的两亲性天然氨基酸改性层，使膜材料具有永久的亲水性能和持久的抗污染性能。它制备过程简单，易于操作、条件温和、普适性强，具有良好的工业化前景，制得的聚合物分离膜具有高效、持久的抗污染性能，应用在水处理方面，具有较好的分离效果。

Description

复合抗污染聚合物分离膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，尤其是一种复合抗污染聚合物分离膜及其制备方法。
背景技术
随着膜技术在水处理领域的应用，膜的水通量和抗污染能力，尤其是后者，一直是膜科技工作者和膜生产商关注的问题，越来越受到重视。聚丙烯、聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯等材料常被用来制备聚合物分离膜，但是由于这些材料的表面能较低，疏水性较强使得膜表面易吸附有机物及微生物，造成污染，从而导致膜通量衰减，产品质量下降。因此，改善聚合物分离膜的亲水性和抗污染性具有十分重要的意义。
影响聚合物分离膜材料抗污染性能的主要因素为膜表面的化学组成、表面电荷、粗糙度、孔径等。改善聚合物分离膜的亲水性及抗污染性能的方法主要包括物理方法和化学方法。如吸附法，通过在膜材料表面及孔内部吸附亲水性小分子来改善亲水性，提高抗污染性能。但由于只是通过物理吸附作用来固定亲水性物质，导致在使用过程中亲水性物质易流失，亲水性能不能长久保持。化学改性方法包括采用电晕、紫外、等离子体等辐照技术，把一些亲水基团接枝到膜材料表面改善其亲水性能，提高抗污染能力。但是，这种方法需要较为苛刻的条件和昂贵的设备、对膜的损伤较大、亲水化效果不好并且持久性差。
因此，寻找一种简单通用、改善膜表面亲水性、赋予膜材料永久抗污染性能的改性方法对聚合物分离膜的应用至关重要。研究表明，两亲性物质在改善聚合物分离膜材料方面具有较优异的效果(Chem.Soc.Rev.,2016,45,5888-5924)。
发明内容
本发明的目的是：提供了一种复合抗污染聚合物分离膜及其制备方法，它制备过程简单，制得的聚合物分离膜具有高效、持久的抗污染性能，应用在水处理方面，具有较好的分离效果。
本发明是这样实现的：按质量份数计算，包括引发剂溶液150～210份、聚合物分离膜0.05～2份、甲基丙烯酸缩水甘油酯100～200份及天然氨基酸水溶液150～250份为制备原料。
所述的引发剂溶液中的引发剂为过氧化二异丙苯、过氧化二苯甲酰或偶氮二异丁腈；溶剂为丙酮或无水乙醇，引发剂溶剂的浓度为0.5～3g/L。
所述的天然氨基酸水溶液的浓度为0.5～8g/L，其中天然氨基酸为甘氨酸、L-α-丙氨酸、L-α-丝氨酸、L-α-苏氨酸、L-α-天冬氨酸、L-α-谷氨酸或L-α-赖氨酸。
所述的聚合物分离膜为聚砜多孔膜、聚醚砜多孔膜或聚偏氟乙烯多孔膜
复合抗污染聚合物分离膜的制备方法，包含以下步骤：
1)制备甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜：将引发剂溶解在溶剂中，获得引发剂溶液，将聚合物分离膜置于引发剂溶液中，超声(超声功率100-300W)5-30min之后浸泡0.5-2h，使引发剂附载在膜材料中，然后在通风条件下晾晒24-48h，使引发剂溶液的溶剂挥发完全；将附载了引发剂的聚合物分离膜放入温度为90℃的甲基丙烯酸缩水甘油酯中，在超声频率为500-1200W的超声条件下反应时间为0.5-1h，反应完成后将膜材料取出，首先用乙醇清洗、然后用蒸馏水清洗，晾干得到甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜；
2)制备两亲性天然氨基酸改性聚合物分离膜：将配置好的天然氨基酸水溶液用氢氧化钠调节PH值为10-12；将甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜置于天然氨基酸水溶液中，在40-60℃下超声处理12-48h后，将膜材料取出，首先用乙醇清洗、然后用蒸馏水清洗，真空烘干得到两亲性天然氨基酸改性聚合物分离膜。
步骤2)所述的在40-60℃下超声处理的功率为100～500W。
与现有的技术相比，本发明将物理吸附自由基聚合技术、超声波辅助原位聚合技术及环氧官能团开环聚合技术相结合，将两亲性物质天然氨基酸应用在聚合物分离膜的改性中，在聚合物膜材料的表面及膜孔内部形成了均匀的两亲性天然氨基酸改性层，使膜材料具有永久的亲水性能和持久的抗污染性能。它制备过程简单，易于操作、条件温和、普适性强，具有良好的工业化前景，制得的聚合物分离膜具有高效、持久的抗污染性能，应用在水处理方面，具有较好的分离效果。
具体实施方式
本发明的实施例1：复合抗污染聚合物分离膜，按质量份数计算，包括引发剂溶液、聚合物分离膜、甲基丙烯酸缩水甘油酯及天然氨基酸水溶液为制备原料；所述的引发剂溶液中的引发剂为过氧化二苯甲酰，溶剂为丙酮，引发剂溶剂的浓度为0.5g/L；所述的天然氨基酸水溶液的浓度为2g/L，其中天然氨基酸为甘氨酸；所述的聚合物分离膜为聚丙烯中空纤维膜，质量为0.5g。
复合抗污染聚合物分离膜的制备方法，包含以下步骤：
1)制备甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜：将0.1g引发剂溶解在200ml溶剂中，获得引发剂溶液，将聚合物分离膜置于引发剂溶液中，超声(超声功率为250W)10min之后浸泡2h，使引发剂附载在膜材料中，然后在通风橱中晾晒24h，使引发剂溶液的溶剂挥发完全；在超声波密闭反应器中加入150ml甲基丙烯酸缩水甘油酯，并升温至90℃，将附载了引发剂的聚合物分离膜放入甲基丙烯酸缩水甘油酯中，在超声频率为600W的超声条件下反应时间为1h，反应完成后将膜材料取出，首先用乙醇清洗、然后用蒸馏水清洗，晾干得到甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜；
2)制备两亲性天然氨基酸改性聚合物分离膜：将配置好的天然氨基酸水溶液用氢氧化钠调节PH值为11；将甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜置于天然氨基酸水溶液中，在45℃下超声处理48h后，超声处理的功率为300W，将膜材料取出，首先用乙醇清洗、然后用蒸馏水清洗，真空烘干得到两亲性天然氨基酸改性聚合物分离膜。
对比实验未经表面改性的聚丙烯中空纤维膜与水的接触角达到103°，用牛血清蛋白(BSA)作为污染物，污染清洗后，膜的水通量恢复率为49％。本实施例经表面修饰后聚丙烯中空纤维膜与水的接触角下降至48°；膜的抗污染性能大大提高，膜的水通量恢复率达到91％。
本发明的实施例2：复合抗污染聚合物分离膜，按质量份数计算，包括引发剂溶液、聚合物分离膜、甲基丙烯酸缩水甘油酯及天然氨基酸水溶液为制备原料；所述的引发剂溶液中的引发剂为过氧化二苯甲酰，溶剂为丙酮，引发剂溶剂的浓度为1.5g/L；所述的天然氨基酸水溶液的浓度为4g/L，其中天然氨基酸为L-α-丙氨酸；所述的聚合物分离膜为聚丙烯中空纤维膜，质量为0.5g。
复合抗污染聚合物分离膜的制备方法，包含以下步骤：
1)制备甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜：将0.3g引发剂溶解在200ml溶剂中，获得引发剂溶液，将聚合物分离膜置于引发剂溶液中，超声(超声功率为250W)10min之后浸泡2h，使引发剂附载在膜材料中，然后在通风橱中晾晒24h，使引发剂溶液的溶剂挥发完全；在超声波密闭反应器中加入150ml甲基丙烯酸缩水甘油酯，并升温至90℃，将附载了引发剂的聚合物分离膜放入甲基丙烯酸缩水甘油酯中，在超声频率为800W的超声条件下反应时间为1h，反应完成后将膜材料取出，首先用乙醇清洗、然后用蒸馏水清洗，晾干得到甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜；
2)制备两亲性天然氨基酸改性聚合物分离膜：将配置好的天然氨基酸水溶液用氢氧化钠调节PH值为11；将甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜置于天然氨基酸水溶液中，在45℃下超声处理48h后，超声处理的功率为300W，将膜材料取出，首先用乙醇清洗、然后用蒸馏水清洗，真空烘干得到两亲性天然氨基酸改性聚合物分离膜。
经检测，本实施例经表面修饰后聚丙烯中空纤维膜与水的接触角下降至43°；牛血清蛋白(BSA)作为污染物，污染清洗后，膜的水通量恢复率为94％。
本发明的实施例3：复合抗污染聚合物分离膜，按质量份数计算，包括引发剂溶液、聚合物分离膜、甲基丙烯酸缩水甘油酯及天然氨基酸水溶液为制备原料；所述的引发剂溶液中的引发剂为过氧化二苯甲酰，溶剂为丙酮，引发剂溶剂的浓度为2.5g/L；所述的天然氨基酸水溶液的浓度为6g/L，其中天然氨基酸为L-α-丙氨酸；所述的聚合物分离膜为聚丙烯中空纤维膜，质量为0.5g。
复合抗污染聚合物分离膜的制备方法，包含以下步骤：
1)制备甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜：将0.5g引发剂溶解在200ml溶剂中，获得引发剂溶液，将聚合物分离膜置于引发剂溶液中，超声(超声功率为250W)10min之后浸泡2h，使引发剂附载在膜材料中，然后在通风橱中晾晒24h，使引发剂溶液的溶剂挥发完全；在超声波密闭反应器中加入150ml甲基丙烯酸缩水甘油酯，并升温至90℃，将附载了引发剂的聚合物分离膜放入甲基丙烯酸缩水甘油酯中，在超声频率为1000W的超声条件下反应时间为1h，反应完成后将膜材料取出，首先用乙醇清洗、然后用蒸馏水清洗，晾干得到甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜；
2)制备两亲性天然氨基酸改性聚合物分离膜：将配置好的天然氨基酸水溶液用氢氧化钠调节PH值为11；将甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜置于天然氨基酸水溶液中，在45℃下超声处理48h后，超声处理的功率为300W，将膜材料取出，首先用乙醇清洗、然后用蒸馏水清洗，真空烘干得到两亲性天然氨基酸改性聚合物分离膜。
经检测，本实施例经表面修饰后聚丙烯中空纤维膜与水的接触角下降至39°；牛血清蛋白(BSA)作为污染物，污染清洗后，膜的水通量恢复率为95％。
本发明的实施例4：复合抗污染聚合物分离膜，按质量份数计算，包括引发剂溶液、聚合物分离膜、甲基丙烯酸缩水甘油酯及天然氨基酸水溶液为制备原料；所述的引发剂溶液中的引发剂为过氧化二苯甲酰，溶剂为丙酮，引发剂溶剂的浓度为2.5g/L；所述的天然氨基酸水溶液的浓度为6g/L，其中天然氨基酸为L-α-丙氨酸；所述的聚合物分离膜为聚丙烯中空纤维膜，质量为0.5g。
复合抗污染聚合物分离膜的制备方法，包含以下步骤：
1)制备甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜：将0.5g引发剂溶解在200ml溶剂中，获得引发剂溶液，将聚合物分离膜置于引发剂溶液中，超声(超声功率为250W)10min之后浸泡2h，使引发剂附载在膜材料中，然后在通风橱中晾晒24h，使引发剂溶液的溶剂挥发完全；在超声波密闭反应器中加入150ml甲基丙烯酸缩水甘油酯，并升温至90℃，将附载了引发剂的聚合物分离膜放入甲基丙烯酸缩水甘油酯中，在超声频率为1000W的超声条件下反应时间为1h，反应完成后将膜材料取出，首先用乙醇清洗、然后用蒸馏水清洗，晾干得到甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜；
2)制备两亲性天然氨基酸改性聚合物分离膜：将配置好的天然氨基酸水溶液用氢氧化钠调节PH值为11；将甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜置于天然氨基酸水溶液中，在50℃下超声处理36h后，超声处理的功率为300W，将膜材料取出，首先用乙醇清洗、然后用蒸馏水清洗，真空烘干得到两亲性天然氨基酸改性聚合物分离膜。
经检测，本实施例经表面修饰后聚丙烯中空纤维膜与水的接触角下降至36°；牛血清蛋白(BSA)作为污染物，污染清洗后，膜的水通量恢复率为97％。
本发明的实施例5：复合抗污染聚合物分离膜，按质量份数计算，包括引发剂溶液、聚合物分离膜、甲基丙烯酸缩水甘油酯及天然氨基酸水溶液为制备原料；所述的引发剂溶液中的引发剂为过氧化二苯甲酰，溶剂为丙酮，引发剂溶剂的浓度为2.5g/L；所述的天然氨基酸水溶液的浓度为6g/L，其中天然氨基酸为L-α-丙氨酸；所述的聚合物分离膜为聚丙烯中空纤维膜，质量为0.5g。
复合抗污染聚合物分离膜的制备方法，包含以下步骤：
1)制备甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜：将0.5g引发剂溶解在200ml溶剂中，获得引发剂溶液，将聚合物分离膜置于引发剂溶液中，超声(超声功率为250W)10min之后浸泡2h，使引发剂附载在膜材料中，然后在通风橱中晾晒24h，使引发剂溶液的溶剂挥发完全；在超声波密闭反应器中加入150ml甲基丙烯酸缩水甘油酯，并升温至90℃，将附载了引发剂的聚合物分离膜放入甲基丙烯酸缩水甘油酯中，在超声频率为1000W的超声条件下反应时间为1h，反应完成后将膜材料取出，首先用乙醇清洗、然后用蒸馏水清洗，晾干得到甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜；
2)制备两亲性天然氨基酸改性聚合物分离膜：将配置好的天然氨基酸水溶液用氢氧化钠调节PH值为11；将甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜置于天然氨基酸水溶液中，在55℃下超声处理24h后，超声处理的功率为300W，将膜材料取出，首先用乙醇清洗、然后用蒸馏水清洗，真空烘干得到两亲性天然氨基酸改性聚合物分离膜。
经检测，本实施例经表面修饰后聚丙烯中空纤维膜与水的接触角下降至35°；牛血清蛋白(BSA)作为污染物，污染清洗后，膜的水通量恢复率为97％。
本发明的实施例6：复合抗污染聚合物分离膜，按质量份数计算，包括引发剂溶液、聚合物分离膜、甲基丙烯酸缩水甘油酯及天然氨基酸水溶液为制备原料；所述的引发剂溶液中的引发剂为过氧化二苯甲酰，溶剂为丙酮，引发剂溶剂的浓度为2.5g/L；所述的天然氨基酸水溶液的浓度为6g/L，其中天然氨基酸为L-α-丙氨酸；所述的聚合物分离膜为聚丙烯中空纤维膜，质量为0.5g。
复合抗污染聚合物分离膜的制备方法，包含以下步骤：
1)制备甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜：将0.5g引发剂溶解在200ml溶剂中，获得引发剂溶液，将聚合物分离膜置于引发剂溶液中，超声(超声功率为250W)10min之后浸泡2h，使引发剂附载在膜材料中，然后在通风橱中晾晒24h，使引发剂溶液的溶剂挥发完全；在超声波密闭反应器中加入150ml甲基丙烯酸缩水甘油酯，并升温至90℃，将附载了引发剂的聚合物分离膜放入甲基丙烯酸缩水甘油酯中，在超声频率为1000W的超声条件下反应时间为1h，反应完成后将膜材料取出，首先用乙醇清洗、然后用蒸馏水清洗，晾干得到甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜；
2)制备两亲性天然氨基酸改性聚合物分离膜：将配置好的天然氨基酸水溶液用氢氧化钠调节PH值为11；将甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜置于天然氨基酸水溶液中，在55℃下超声处理30h后，超声处理的功率为300W，将膜材料取出，首先用乙醇清洗、然后用蒸馏水清洗，真空烘干得到两亲性天然氨基酸改性聚合物分离膜。
经检测，本实施例经表面修饰后聚丙烯中空纤维膜与水的接触角下降至32°；牛血清蛋白(BSA)作为污染物，污染清洗后，膜的水通量恢复率为96％。
本发明的实施例7：复合抗污染聚合物分离膜，按质量份数计算，包括引发剂溶液、聚合物分离膜、甲基丙烯酸缩水甘油酯及天然氨基酸水溶液为制备原料；所述的引发剂溶液中的引发剂为过氧化二苯甲酰，溶剂为丙酮，引发剂溶剂的浓度为2.5g/L；所述的天然氨基酸水溶液的浓度为6g/L，其中天然氨基酸为L-α-丙氨酸；所述的聚合物分离膜为聚丙烯中空纤维膜，质量为0.5g。
复合抗污染聚合物分离膜的制备方法，包含以下步骤：
1)制备甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜：将0.5g引发剂溶解在200ml溶剂中，获得引发剂溶液，将聚合物分离膜置于引发剂溶液中，超声(超声功率为250W)10min之后浸泡2h，使引发剂附载在膜材料中，然后在通风橱中晾晒24h，使引发剂溶液的溶剂挥发完全；在超声波密闭反应器中加入150ml甲基丙烯酸缩水甘油酯，并升温至90℃，将附载了引发剂的聚合物分离膜放入甲基丙烯酸缩水甘油酯中，在超声频率为1000W的超声条件下反应时间为1h，反应完成后将膜材料取出，首先用乙醇清洗、然后用蒸馏水清洗，晾干得到甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜；
2)制备两亲性天然氨基酸改性聚合物分离膜：将配置好的天然氨基酸水溶液用氢氧化钠调节PH值为10；将甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜置于天然氨基酸水溶液中，在55℃下超声处理24h后，超声处理的功率为300W，将膜材料取出，首先用乙醇清洗、然后用蒸馏水清洗，真空烘干得到两亲性天然氨基酸改性聚合物分离膜。
经检测，本实施例经表面修饰后聚丙烯中空纤维膜与水的接触角下降至35°；牛血清蛋白(BSA)作为污染物，污染清洗后，膜的水通量恢复率为94％。

Claims (6)

1.一种复合抗污染聚合物分离膜，其特征在于：按质量份数计算，包括引发剂溶液150～210份、聚合物分离膜0.05～2份、甲基丙烯酸缩水甘油酯100～200份及天然氨基酸水溶液150～250份为制备原料。
2.根据权利要求1所述的复合抗污染聚合物分离膜，其特征在于：所述的引发剂溶液中的引发剂为过氧化二异丙苯、过氧化二苯甲酰或偶氮二异丁腈；溶剂为丙酮或无水乙醇，引发剂溶剂的浓度为0.5～3g/L。
3.根据权利要求1所述的复合抗污染聚合物分离膜，其特征在于：所述的天然氨基酸水溶液的浓度为0.5～8g/L，其中天然氨基酸为甘氨酸、L-α-丙氨酸、L-α-丝氨酸、L-α-苏氨酸、L-α-天冬氨酸、L-α-谷氨酸或L-α-赖氨酸。
4.根据权利要求1所述的复合抗污染聚合物分离膜，其特征在于：所述的聚合物分离膜为聚丙烯中空纤维膜、聚砜多孔膜、聚醚砜多孔膜或聚偏氟乙烯多孔膜。
5.一种如权利要求1所述的复合抗污染聚合物分离膜的制备方法，其特征在于：按上述质量份数取各组分，包含以下步骤：
1)制备甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜：将引发剂溶解在溶剂中，获得引发剂溶液，将聚合物分离膜置于引发剂溶液中，超声5-30min之后浸泡0.5-2h，超声功率100-300W，使引发剂附载在膜材料中，然后在通风条件下晾晒24-48h，使引发剂溶液的溶剂挥发完全；将附载了引发剂的聚合物分离膜放入温度为90℃的甲基丙烯酸缩水甘油酯中，在超声频率为500-1200W的超声条件下反应时间为0.5-1h，反应完成后将膜材料取出，首先用乙醇清洗，然后用蒸馏水清洗，晾干得到甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜；
2)制备两亲性天然氨基酸改性聚合物分离膜：将配置好的天然氨基酸水溶液用氢氧化钠调节PH值为10-12；将甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚合物分离膜置于天然氨基酸水溶液中，在40-60℃下超声处理12-48h后，将膜材料取出，首先用乙醇清洗，然后用蒸馏水清洗，真空烘干得到两亲性天然氨基酸改性聚合物分离膜。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤2)所述的在40-60℃下超声处理的功率为100～500W。
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