CN107441947A - 一种羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜的制备方法 - Google Patents

一种羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜的制备方法：将干燥后的聚丙烯腈粉末用有机溶剂溶解成质量浓度18～25％聚丙烯腈溶液，将聚丙烯腈溶液于60℃搅拌加热溶胀，然后升温至80℃，搅拌至完全溶解，脱泡，获得铸膜液；将铸膜液均匀地倾倒在模板上成膜后，滞空1分钟并将膜和模板一同浸入20‑30℃的非溶剂中进行相转化反应，反应完全后，取出脱离模板的基膜浸入20‑60℃的0.1‑1mol/L无机碱水溶液中进行羟基化反应，反应完全后，取出膜用去离子水冲洗至pH值中性，获得羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜；本发明纳滤膜对孟加拉玫瑰红乙醇料液的通量为38.0L/(m2·h·bar)，孟加拉玫瑰红截留为98.8％。

Description

一种羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜的制备方法
(一)技术领域
本发明涉及有机相体系膜分离技术领域，具体涉及一种羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜的制备方法。
(二)背景技术
以压力为驱动的纳滤(nanofiltration)膜分离技术具有无相转换、无需添加剂、温度影响小等优点，主要应用于水相体系的分离纯化。但是石油化工、精细化工、食品和医药等领域却迫切需要将纳滤膜应用于有机相体系，达到高效、节能、环保的目的。例如润滑基础油酮苯脱蜡过程的溶剂纯化，食用油浸出油工艺中正己烷的分离，工业合成过程中贵金属催化剂的回收等。耐溶剂纳滤膜技术(Organic Solvent Nanofiltration，OSN)作为能有效替代蒸馏、萃取、蒸发或吸收等传统有机溶剂分离和回收的方法，被认为是21世纪最有发展前景的分离技术。
由于膜材料本身的耐化学稳定性直接决定膜的耐溶剂性能，因此耐化学性能好的膜材料选择是至关重要的。如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)和聚砜(PSF)，用于制造耐溶剂纳滤膜，显示出优良的溶剂分离性能。然而这些聚合物的不可逆溶胀显著降低了OSN膜的渗透性，加剧了溶剂分离过程中的能量消耗。
聚丙烯腈(PAN)作为一种综合性能优良的有机高分子聚合物，具有足够的化学稳定性和亲水性，使PAN可成为新型耐溶剂纳滤膜的聚合物材料。如PAN的亲水性基团能够形成氢键，可使膜孔隙收缩；其腈(CN)基团可被转换成各种官能团，增加亲水特性，提升膜的防污性能和分离性能；此外它较容易被伯胺、乙醇胺、氢氧化钠和氧等离子体等改性，使其具有广泛应用价值，如金属和离子吸附、超滤、纳滤、反渗透、渗透汽化。
聚丙烯腈常被用于作为超滤、微滤膜等膜材料，或是作为界面聚合过程中的支撑材料。如Chemical Engineering Science(2014，106，157-166)中提出将聚丙烯腈作为超滤膜支撑层，在其表面通过界面聚合获得耐溶剂纳滤膜。但未见关于利于聚丙烯腈本身耐溶剂性能直接制备纳滤膜。
目前对于耐溶剂膜材料的需要主要是医药、化工和环境等纳滤尺度下的分离需求，以取代传统高能耗、高污染的分馏、蒸发、萃取等分离方式。化工新型材料(2016，44，58-60)提出碱处理后的聚丙烯具备耐溶剂性能。但该文章没有表明制备得到的材料能否用于分离过程。
本发明目的是提供一种简单而且高效的羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜的制备方法。该发明可以解决目前耐溶剂纳滤膜低通量易溶胀的问题。
本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜的制备方法，所述方法为：将干燥至无水后的聚丙烯腈粉末用有机溶剂溶解成质量浓度18-25％的聚丙烯腈溶液，将聚丙烯腈溶液于60℃搅拌加热溶胀，然后升温至80℃，搅拌至完全溶解，脱泡(真空脱泡后静置过夜以完全除去气泡)，获得铸膜液；将铸膜液均匀地倾倒于模板上成膜后，滞空1分钟并将膜和模板浸入20-60℃(优选25℃)的非溶剂浴中进行相转化反应，反应完全后，取出脱离模板的基膜浸入20-60℃、0.1-1mol/L无机碱水溶液(优选0.5mol/L)中进行羟基化反应，反应完全后，取出膜用去离子水冲洗至pH值中性(pH＝7)，获得羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜；所述非溶剂为下列之一：水或体积浓度50％乙醇水溶液。
进一步，所述有机溶剂为下列之一：N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或N,N-二甲基乙酰胺。
进一步，所述无机碱水溶液中无机碱为下列之一：氢氧化钠或氢氧化钾。
进一步，所述聚丙烯腈溶液浓度为18％-22％。
进一步，所述铸膜液于模板上成膜的厚度为150-350μm，更优选300μm。
进一步，所述相转化温度为25℃。
进一步，所述羟基化反应时间为0.5-2h。
进一步，所述聚丙烯腈粉末干燥时间为12-96h，真空冷冻干燥器温度为-40℃，更优选48h。
进一步，所述模板为干净、光滑的玻璃板。
更进一步，所述羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜的制备方法按如下步骤进行：将真空冷冻干燥器-40℃条件下干燥48h后的聚丙烯腈粉末用有机溶剂配制成质量浓度21％聚丙烯腈溶液，将聚丙烯腈溶液于60℃搅拌加热溶胀，然后升温至80℃，搅拌至完全溶解，脱泡，获得澄清、均匀的铸膜液；将铸膜液均匀地倾倒在干净、光滑的玻璃板，用300μm厚度的不锈钢刮刀迅速刮过溶液，滞空1分钟后将膜和玻璃板浸入25℃的非溶剂中进行相转化反应，经充分相转化得到聚丙烯腈基膜，反应完全后，将自动脱离的基膜浸入50℃、0.5mol/L无机碱水溶液中进行羟基化，反应完全后，取出膜用去离子水冲洗至pH值中性，获得羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜；所述非溶剂为下列之一：水或体积浓度50％乙醇水溶液；所述有机溶剂为下列之一：N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或N,N-二甲基乙酰胺；所述无机碱水溶液中无机碱为下列之一：氢氧化钠或氢氧化钾。
与现有技术相比，本发明有益效果主要体现在：本发明方法操作简单便，成本低廉，且获得较好的膜性能，便于工业化应用。本发明制备的羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜经过10天室温(25-30℃)浸泡发现羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜在不同溶剂(甲醇、丙酮、正己烷、乙酸乙酯和甲苯)中均表现为良好的稳定性。在室温(25-30℃)、操作压力为0.3MPa的条件下对不同溶剂(甲醇、乙醇、异丙醇、正己烷、正庚烷、丙酮、乙酸乙酯、甲苯)进行过滤，不同溶剂的渗透通量按顺序排列如下：正己烷>甲醇>丙酮>正庚烷>乙醇>乙酸乙酯>甲苯>异丙醇，其中正己烷通量最高，为73.7L/(m2·h·bar)，异丙醇通量最低，为22.7L/(m2·h·bar)，且该有机溶剂通量数据均高于一般纳滤膜通量。羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜对孟加拉玫瑰红乙醇料液的通量为38.0L/(m2·h·bar)，孟加拉玫瑰红截留为98.8％，对甲基蓝水溶液的通量为41.2L/(m2·h·bar)，甲基蓝的截留为96.7％。
(三)附图说明
图1为本发明耐溶剂纳滤膜的有机溶剂的渗透通量图。
图2为本发明的耐溶剂纳滤膜的分离性能图。
(四)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1：
(1)耐溶剂纳滤膜的制备：
将10g聚丙烯腈(分子量90000)粉末在-40℃真空冷冻干燥48h至完全去除水分。
准确称取5.0240g冷冻干燥后的聚丙烯腈(PAN)粉末至100ml圆底烧瓶中，然后缓慢加入20ml的DMF，配制成质量浓度21wt％的聚丙烯腈溶液。将圆底烧瓶放入集热式恒温加热磁力搅拌器中，60℃搅拌2h至PAN溶液溶胀后，升温至80℃加热搅拌至PAN溶液完全溶解。真空脱泡后静置过夜以完全除去气泡得到澄清、均匀的聚丙烯腈铸膜液。将铸膜液均匀地倾倒在干净、光滑的玻璃板上，用300μm厚度的不锈钢刮刀迅速刮过铸膜液(膜厚度为300μm)，滞空1分钟后将膜和玻璃板浸入25℃的水中，经充分相转化得到聚丙烯腈基膜。将自动脱离的基膜浸泡于50℃，0.5mol/L氢氧化钠水溶液进行羟基化反应1h，取出，用去离子水清洗膜表面残留的碱性溶液直至pH为中性(pH＝7)，得到羟基化的聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜。
(2)耐溶剂性能评测：将步骤(1)制备的聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜进行有机溶剂浸泡实验，准确测定待浸泡聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜样品的面积，然后室温(25-30℃)浸入相应的有机溶剂10天，其中包括甲醇、丙酮、正己烷、乙酸乙酯和甲苯，浸泡结束后擦拭表面的有机溶剂，再次测量样品面积，溶胀性能见表1。经过10天浸泡发现羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜在不同溶剂中均表现为良好的稳定性。
(3)纯溶剂通量性能评测：以步骤(1)制备的聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜为过滤膜，于耐溶剂纳滤过滤装置中，在室温(25-30℃)、操作压力为0.3MPa的条件下对不同溶剂进行过滤，通过检测滤液中溶剂浓度测定膜的渗透通量。纯溶剂包括甲醇、乙醇、异丙醇、正己烷、正庚烷、丙酮、乙酸乙酯、甲苯。不同溶剂的渗透通量(图1)按顺序排列如下：正己烷>甲醇>丙酮>正庚烷>乙醇>乙酸乙酯>甲苯>异丙醇，其中正己烷通量最高，为73.7L/(m2·h·bar)，异丙醇通量最低，为22.7L/(m2·h·bar)。且该有机溶剂通量数据均高于一般纳滤膜通量。
(4)纳滤膜分离性能评价：以步骤(1)制备的聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜为过滤膜，于过滤装置中，在室温、操作压力为0.3MPa的条件下对不同溶剂进行过滤，通过检测滤液中溶剂浓度测定膜的截留率和通量，其中溶剂分别为0.2g/L孟加拉玫瑰红乙醇溶液和0.2g/L的甲基蓝水溶液。结果见图2所示，聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜对孟加拉玫瑰红乙醇料液的通量为38.0L/(m2·h·bar)，孟加拉玫瑰红截留为98.8％，对甲基蓝水溶液的通量为41.2L/(m2·h·bar)，甲基蓝的截留为96.7％。
表1 耐溶剂纳滤膜在溶剂浸泡前后的溶胀性能
实施例2
将实施例1中聚丙烯腈溶液浓度改为18％，其他步骤不变，获得聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜。采用实施例1性能检测方法，耐溶剂性能：甲醇、丙酮、正己烷、乙酸乙酯和甲苯见表2；纯溶剂通量顺序为：正己烷>甲醇>丙酮>正庚烷>乙醇>乙酸乙酯>甲苯>异丙醇；纳滤膜分离性能：孟加拉玫瑰红乙醇料液的通量为65.2L/(m2·h·bar)，孟加拉玫瑰红截留为95.1％，对甲基蓝水溶液的通量为71.4L/(m2·h·bar)，甲基蓝的截留为93.2％。
表2 耐溶剂纳滤膜在溶剂浸泡前后的溶胀性能
实施例3
将实施例1中聚丙烯腈溶液的浓度改为22％，其他步骤不变，获得聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜。采用实施例1性能检测方法，耐溶剂性能见表3；纯溶剂通量顺序为：正己烷>甲醇>丙酮>正庚烷>乙醇>乙酸乙酯>甲苯>异丙醇；纳滤膜分离性能：孟加拉玫瑰红乙醇料液的通量为22.1L/(m2·h·bar)，孟加拉玫瑰红截留为99.1％，对甲基蓝水溶液的通量为24.3L/(m2·h·bar)，甲基蓝的截留为98.6％。
表3 耐溶剂纳滤膜在溶剂浸泡前后的溶胀性能
实施例4
将实施例1中的羟基化改性时间改为0.5h，其他步骤不变，获得聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜。采用实施例1性能检测方法，耐溶剂性能：与实例1相一致，误差不超过±3.2％；纯溶剂通量顺序为：正己烷>甲醇>丙酮>正庚烷>乙醇>乙酸乙酯>甲苯>异丙醇；纳滤膜分离性能：孟加拉玫瑰红乙醇料液的通量为32.6L/(m2·h·bar)，孟加拉玫瑰红截留为98.6％，对甲基蓝水溶液的通量为39.8L/(m2·h·bar)，甲基蓝的截留为96.6％。
实施例5
将实施例1中的羟基化改性时间改为2h，其他步骤不变，获得聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜。采用实施例1性能检测方法，耐溶剂性能：与实例1相一致，误差不超过±3.6％；纯溶剂通量顺序为：正己烷>甲醇>丙酮>正庚烷>乙醇>乙酸乙酯>甲苯>异丙醇；纳滤膜分离性能：孟加拉玫瑰红乙醇料液的通量为88.2L/(m2·h·bar)，孟加拉玫瑰红截留为91.2％，对甲基蓝水溶液的通量为98.2L/(m2·h·bar)，甲基蓝的截留为90.8％。
实施例6
将实施例1中的羟基化改性的氢氧化纳溶液改为氢氧化钾溶液，其他步骤不变，获得聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜。采用实施例1性能检测方法，其结果与实例1一致，误差不超过±2.5％。

Claims (10)

1.一种羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜的制备方法，其特征在于所述方法为：将干燥后的聚丙烯腈粉末用有机溶剂溶解成质量浓度18～25％聚丙烯腈溶液，将聚丙烯腈溶液于60℃搅拌加热溶胀，然后升温至80℃，搅拌至完全溶解，脱泡，获得铸膜液；将铸膜液均匀地倾倒在模板上成膜后，滞空1分钟并将膜和模板一同浸入20-30℃的非溶剂中进行相转化反应，反应完全后，取出脱离模板的基膜浸入20-60℃的0.1-1mol/L无机碱水溶液中进行羟基化反应，反应完全后，取出膜用去离子水冲洗至pH值中性，获得羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜；所述非溶剂为下列之一：水或体积浓度50％乙醇水溶液。
2.如权利要求1所述羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜的制备方法，其特征在于所述有机溶剂为下列之一：N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或N,N-二甲基乙酰胺。
3.如权利要求1所述羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜的制备方法，其特征在于所述无机碱水溶液中无机碱为下列之一：氢氧化钠或氢氧化钾。
4.如权利要求1所述羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜的制备方法，其特征在于所述聚丙烯腈溶液质量浓度为18％-22％。
5.如权利要求1所述羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜的制备方法，其特征在于所述铸膜液于模板上成膜的厚度为150-350μm。
6.如权利要求1所述羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜的制备方法，其特征在于所述相转化温度为25℃。
7.如权利要求1所述羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜的制备方法，其特征在于所述羟基化反应时间为0.5-2h。
8.如权利要求1所述羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜的制备方法，其特征在于所述聚丙烯腈粉末干燥条件为-40℃真空冷冻干燥12-96h。
9.如权利要求1所述羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜的制备方法，其特征在于所述模板为玻璃板。
10.如权利要求1所述羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜的制备方法，其特征在于所述方法为：将-40℃真空冷冻干燥48h后的聚丙烯腈粉末用有机溶剂溶解成质量浓度21％聚丙烯腈溶液，将聚丙烯腈溶液于60℃搅拌加热溶胀，然后升温至80℃，搅拌至完全溶解，脱泡，获得铸膜液；将铸膜液于玻璃板上刮膜，滞空1分钟后将膜和玻璃板放入25℃的非溶剂中进行相转化反应，将自动脱离的基膜浸入50℃、0.5mol/L无机碱水溶液中进行羟基化反应0.5-2h，反应完全后，取出膜用去离子水冲洗至pH值中性，获得羟基化聚丙烯腈耐溶剂纳滤膜；所述溶剂为下列之一：水或体积浓度50％乙醇水溶液；所述有机溶剂为下列之一：N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或N,N-二甲基乙酰胺；所述无机碱水溶液中无机碱为下列之一：氢氧化钠或氢氧化钾。
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Application publication date: 20171208

Assignee: Deqing County Lefeng Plastic Products Co.,Ltd.

Assignor: JIANG University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980040523

Denomination of invention: Preparation method of hydroxylated polyacrylonitrile solvent resistant nanofiltration membrane

Granted publication date: 20200728

License type: Common License

Record date: 20230828