CN107376673A - 一种负载有TiO2纳米管的PES超滤膜及其制备方法和应用 - Google Patents

一种负载有TiO2纳米管的PES超滤膜及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种负载有TiO2纳米管的PES超滤膜，所述PES超滤膜表面负载有一定量的TiO2纳米管，所述TiO2纳米管通过多巴胺和有机硅烷偶联剂接枝于PES超滤膜表面。本发明还公开了上述负载有TiO2纳米管的PES超滤膜的制备方法和应用。本发明改性后的PES超滤膜由于TiO2的超亲水性能和有机硅烷偶联剂的亲水性能，能有效延缓腐殖酸沉积堵塞在PES超滤膜上，导致膜通量增加，抗污染性能增强，同时由于PES超滤膜表面负载有TiO2纳米管，导致膜孔径减小，从而截留率大大提高。

Description

一种负载有TiO2纳米管的PES超滤膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种聚醚砜(PES)超滤膜，尤其涉及一种负载有TiO2纳米管的PES超滤膜，还涉及上述负载有TiO2纳米管的PES超滤膜的制备方法和应用，属于过滤膜技术领域。
背景技术
近年来，水源水质污染已经成为亟待解决的科学问题，其中天然有机质腐殖酸对水生态环境有重要影响。腐殖酸结构复杂，是以多元酚和醌为芳香中心的多聚物。腐殖酸具有胶体性、溶解性、离子交换性、吸附性、沉淀性、络合性、氧化还原性及热稳定性，这些性质是腐殖酸与其他物质进行反应的基础，使得它在水溶液中存在会与其他物质发生一系列的化学物理反应，从而给水体带来巨大的隐患。
如今，过滤膜领域迅速发展，过滤分离有机物更是过滤膜领域的一个重要分支。利用聚醚砜过滤膜分离有机污染物不仅效率高、成本低而且无二次污染物的产生，环保可靠。但是由于聚醚砜过滤膜疏水性强，抗污染性差，容易在膜表面形成泥饼层，堵塞膜孔，形成溶度极差，导致膜通量严重下降，这大大阻碍了聚醚砜过滤膜在实际膜分离领域的应用。因此需要对聚醚砜超滤膜进行改性处理，从而提高其分离性能。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种负载有TiO2纳米管的PES超滤膜，该超滤膜在一定操作压差下对水体中的大分子有机污染物能实现有效分离过滤，截留率高，且膜表面抗污染性能提高。
本发明还要解决的技术问题是提供上述负载有TiO2纳米管的PES超滤膜的制备方法。
本发明最后要解决的技术问题是提供上述负载有TiO2纳米管的PES超滤膜在分离过滤水体中腐殖酸有机物的应用。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种负载有TiO2纳米管的PES超滤膜，所述PES超滤膜表面负载有一定量的TiO2纳米管，所述TiO2纳米管通过多巴胺和有机硅烷偶联剂固载于PES超滤膜表面。
多巴胺是一种生物胶，能够通过自聚合将TiO2纳米管(固定)负载在PES超滤膜表面；有机硅烷偶联剂首先可以改善TiO2纳米管在PES超滤膜表面的分散性能及亲水性能，其次可以通过亲无机基团键和亲有机基团键分别连接TiO2纳米管和PES超滤膜，使TiO2纳米管接枝于PES超滤膜表面。
上述负载有TiO2纳米管的PES超滤膜的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，制备PES超滤膜；
步骤2，制备TiO2纳米管；
步骤3，将所需量的TiO2纳米管、多巴胺和有机硅烷偶联剂加入到三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，超声后得到混合液；
步骤4，将步骤1制得的PES超滤膜于室温下浸没于混合液中，浸泡一段时间后将PES超滤膜从混合液中取出，然后经清洗、干燥处理后得到膜表面负载有TiO2纳米管的PES超滤膜。
其中，步骤1中，制备PES超滤膜具体采用如下方式制得：将所需量的聚醚砜和聚乙烯吡咯烷酮溶于二甲基乙酰胺溶剂中，搅拌得到铸膜液；将铸膜液脱气后均匀涂覆于玻璃板表面，将涂覆有铸膜液的玻璃板平整放入水中，静置后得到PES超滤膜。
其中，步骤2中，制备TiO2纳米管具体采用如下方式制得：将所需量的TiO2粉末加入到氢氧化钠溶液中于130～140℃下进行反应，将反应后的产物经清洗、离心并烘干处理得到TiO2纳米管。
其中，步骤3中，所述TiO2纳米管、多巴胺与有机硅烷偶联剂的混合质量比为2:1:1。
其中，步骤4中，浸泡时间为大于24h。
其中，所述聚醚砜和聚乙烯吡咯烷酮的加入质量比为8:1。
上述负载有TiO2纳米管的PES超滤膜在分离过滤溶液中大分子有机污染物方面的应用。
与现有技术相比，本发明技术方案具有的有益效果是：
本发明改性后的PES超滤膜由于TiO2的超亲水性能和有机硅烷偶联剂的亲水性能，能有效延缓腐殖酸沉积堵塞在PES超滤膜上，导致膜通量增加，抗污染性能增强，同时由于PES超滤膜表面负载有TiO2纳米管，导致膜孔径减小，分离性能提高，截留率增大；另外，本发明的制备方法原料易得、成本低、反应条件温和，对环境无污染，适于工业化生产；最后，本发明改性后的PES超滤膜对水体中的腐殖酸有机污染物有良好的分离效果。
附图说明
图1为本发明负载有TiO2纳米管的PES超滤膜制备方法的工艺流程图；
图2为PES超滤膜置于含TiO2纳米管、多巴胺和有机硅烷偶联剂的缓冲液中浸泡前后的图片。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于此。
实施例1
本发明负载有TiO2纳米管的PES超滤膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，制备PES超滤膜：将8g聚醚砜(PES)和1g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入到43.5mL二甲基乙酰胺溶剂中，室温下搅拌24h，得到铸膜液；将铸膜液置于室温下脱气6h，脱气后取15mL铸膜液倒在玻璃板上，用刮膜刀在玻璃板上以0.5cm/s匀速刮膜；将涂覆有铸膜液的玻璃板平整放入去离子水中进行相的转换成膜，静置24h后得到PES超滤膜；
步骤2，制备TiO2纳米管：将10g TiO2粉末加入到300mL浓度为10M的氢氧化钠溶液中，搅拌30min后得到混合液A；将混合液A倒入100mL聚四氟乙烯内衬中，放入反应釜，置于140℃下的烘箱中反应24h；将反应后得到的沉积用去离子水洗涤3次、再于4000r下离心5min、最后于50℃下干燥4h，得到TiO2纳米管；
步骤3，将80mg TiO2纳米管、40mg生物胶多巴胺和40mg有机硅烷偶联剂加入到20mL PH为8、浓度为10mM的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，超声30min，得到混合液B。
步骤4，将步骤1制得的边长为5cm的PES超滤膜在室温下浸没于混合液B中24h，浸泡后将浸没在混合液B中的PES超滤膜取出，用乙醇和去离子水反复冲洗3次，再在60℃烘箱中干燥4h即可得到膜表面负载有TiO2纳米管的PES超滤膜。
TiO2纳米管负载于PES超滤膜的外表面，对于每平方厘米的PES超滤膜，其表面TiO2纳米管的负载量为1.62mg。
对比实施例1
一种PES超滤膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将8g聚醚砜和1g聚乙烯吡咯烷酮加入到43.5mL的二甲基乙酰胺溶剂中，室温下密封搅拌24h，得到铸膜液；
步骤2，将铸膜液置于室温下脱气6h，然后将大约15mL的铸膜液倒在玻璃板上，用刮膜刀在玻璃板上以0.5cm/s匀速刮膜；
步骤3，将涂覆有铸膜液的玻璃板平整放入去离子水中进行相的转换，经过24h后得到PES超滤膜。
将实施例1制得的负载有TiO2纳米管的PES超滤膜和对比实施例1制得的PES超滤膜在操作压力0.1MPa下进行纯水通量测试以及腐殖酸污染物的分离效果测试试验：
先取2份200mL去离子水对实施例1制得的负载有TiO2纳米管的PES超滤膜和对比实施例1制得的PES超滤膜分别进行膜纯水通量的测试试验，计算公式为其中Jw为纯水膜通量，单位为L·m-2·h-1，Q为过膜水体积，单位为m3，A为膜面积，Δt为过滤时间。
再取2份初始浓度为10mg/L的腐殖酸溶液200mL，对实施例1制得的负载有TiO2纳米管的PES超滤膜和对比实施例1制得的PES超滤膜分别进行膜腐殖酸溶液膜通量和截留率的测试试验，腐殖酸溶液水通量计算公式为其中，J1为腐殖酸溶液的水通量单位为L·m-2·h-1，Q1为腐殖酸容量过膜水体积，单位为m3；腐殖酸溶液截留率Rejection为其中，Cp为腐殖酸溶液的初始浓度，Cf为渗滤液浓度，腐殖酸浓度用分光光度计测量。
实施例1制得的负载有TiO2纳米管的PES超滤膜和对比实施例1制得的PES超滤膜的膜通量和截留率如表1所示。
表1
从表1可以得出，相比于PES超滤膜，改性后的PES超滤膜纯水通量Jw、腐殖酸有机污染物溶液膜通量J1和腐殖酸有机污染物截留率R(％)都明显上升，说明改性后的PES超滤膜膜通量上升，对大分子有机污染物的分离效果变好。
本发明的改性PES超滤膜，通过将一定量的TiO2纳米管经过生物胶多巴胺和有机硅烷偶联剂固载在PES超滤膜上，图2可简单说明PES超滤膜的改性过程：PES超滤膜浸入PH为8的三羟甲基氨基甲烷缓冲液，三羟甲基氨基甲烷缓冲液中添加有TiO2纳米管、生物胶多巴胺和有机硅烷偶联剂，PES超滤膜浸没24h得到膜表面负载有TiO2纳米管的PES超滤膜。改性后的PES超滤膜由于TiO2的超亲水性能以及有机硅烷偶联剂的亲水性能，能有效减缓腐殖酸沉积堵塞在PES超滤膜上，不仅膜通量增加，抗污染性能也增强，实现良好的分离效果。并且由于TiO2纳米管负载在PES超滤膜膜的表面，导致膜孔径减小，从而使PES超滤膜对大分子有机物的截留量大大提高。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种负载有TiO2纳米管的PES超滤膜，其特征在于：所述PES超滤膜表面负载有一定量的TiO2纳米管，所述TiO2纳米管通过多巴胺和有机硅烷偶联剂固载于PES超滤膜表面。
2.权利要求1所述负载有TiO2纳米管的PES超滤膜的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1，制备PES超滤膜；
步骤2，制备TiO2纳米管；
步骤3，将所需量的TiO2纳米管、多巴胺和有机硅烷偶联剂加入到三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，超声后得到混合液；
步骤4，将步骤1制得的PES超滤膜于室温下浸没于混合液中，浸泡一段时间后将PES超滤膜从混合液中取出，然后经清洗、干燥处理后得到膜表面负载有TiO2纳米管的PES超滤膜。
3.根据权利要求2所述的负载有TiO2纳米管的PES超滤膜的制备方法，其特征在于：步骤1中，制备PES超滤膜具体采用如下方式制得：将所需量的聚醚砜和聚乙烯吡咯烷酮溶于二甲基乙酰胺溶剂中，搅拌得到铸膜液；将铸膜液脱气后均匀涂覆于玻璃板表面，将涂覆有铸膜液的玻璃板平整放入水中，静置后得到PES超滤膜。
4.根据权利要求2所述的负载有TiO2纳米管的PES超滤膜的制备方法，其特征在于：步骤2中，制备TiO2纳米管具体采用如下方式制得：将所需量的TiO2粉末加入到氢氧化钠溶液中于130～140℃下进行反应，将反应后的产物经清洗、离心并烘干处理得到TiO2纳米管。
5.根据权利要求2所述的负载有TiO2纳米管的PES超滤膜的制备方法，其特征在于：步骤3中，所述TiO2纳米管、多巴胺与有机硅烷偶联剂的混合质量比为2:1:1。
6.根据权利要求2所述的负载有TiO2纳米管的PES超滤膜的制备方法，其特征在于：步骤4中，所述浸泡时间大于24h。
7.根据权利要求3所述的负载有TiO2纳米管的PES超滤膜的制备方法，其特征在于：所述聚醚砜和聚乙烯吡咯烷酮的加入质量比为8:1。
8.权利要求1所述负载有TiO2纳米管的PES超滤膜在分离过滤溶液中大分子有机污染物方面的应用。
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