CN107441960A - 高性能三醋酸纤维素正渗透膜的制备方法 - Google Patents

高性能三醋酸纤维素正渗透膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高性能三醋酸纤维素正渗透膜的制备方法。由相转化法制备，具有较薄的活性层和聚酯材料支撑层结构，是一种非对称型膜结构。具体制备方法为：按质量分数计，将8‑15wt%三醋酸纤维素、77‑81wt%有机溶剂和9‑13 wt%添加剂充分混合，机械搅拌24h至各组分溶解均匀；铸膜液由间隙为150μm的刮膜刀在聚酯筛网基材上刮出初生态膜，并在室温和40‑70%湿度环境下挥发1‑90s，随后放入去离子水中进行固化分相2h；最后进行30‑90℃的热处理10‑60min。本发明所制得的三醋酸纤维素正渗透膜亲水性能优，机械性能好，孔隙率大，具有较高的水通量和较低的溶质反混通量，能够有效阻止溶质反向进入原料液导致的渗透压降低，同时有效地降低膜污染程度。

Description

高性能三醋酸纤维素正渗透膜的制备方法
技术领域
本发明属于高分子分离膜技术领域，尤其涉及一种具有外加支撑结构的三醋酸纤维素正渗透膜的制备方法。
背景技术
正渗透（Forward osmosis, FO）过程是一种广泛存在的物理现象，它以选择性分离膜两侧的渗透压差为驱动力，溶液中的水分子从原料液（高化学势）通过选择性分离膜向汲取液（低化学势）传递，而溶质分子或离子被阻挡在膜的一侧，最终导致原料液的浓缩和汲取液的稀释。相比传统外加压力驱动型膜处理工艺，FO工艺作为一种新型膜分离技术，以其不需要外加动力、能耗低、膜污染轻等特有的优势正受到越来越多的关注，已经成为目前水处理研究的新热点。
目前市场上应用最广泛的商业FO膜是由美国Hydration Technologies（HTI）公司研发生产的醋酸纤维素类FO膜，它由活性致密层和聚酯支撑层构成，具有较高的水通量和较低的溶质反混通量。由于FO膜的应用前景广阔，而市场上可商业化的FO膜种类有限、成本较高，HTI FO膜具有较低的 pH 值承受范围（约为4.0~6.5）和较严重的ICP现象，因此高性能FO膜的制备和膜性能优化一直是国内外学者研究的热点。目前，国际上通用的制备和优化FO膜的方法主要有两种：第一种方法是对现有的商业化膜（NF膜或RO膜）进行改良；这一方法被认为简单而有效，缺点在于改性后的渗透膜容易受到商业化基膜的固有特性影响，使膜性能受到限制；另一种方法是采用不同膜制备方法，研发制备出兼具高水通量、低溶质反混通量、低ICP现象和高化学稳定性等优点的高性能FO膜。相转化法是膜制备的传统方法之一。相转化是一种以某种控制方法使聚合物从液态转变为固态的过程，这种固化过程通常是由于一个均相液态转变成两个液态（液液分层）而引发的；在分层达到一定程度时，其中一个液相（聚合物浓度高的相）固化，结果形成了固体本体，通过控制相转化的初始阶段，可以控制膜的形态。
美国的Elimelech团队和Cath团队，以及新加坡的Chung团队和Tang-Wang团队一直致力于FO工艺的研究，并在该领域取得了很大进展和突破，对推动FO技术的发展起到举足轻重的作用。韩国蔚山科学技术大学的Thi Phuong Nga Nguyen团队利用CTA和CA为聚合物材料制备FO膜，研究了不同铸膜液配比和膜制备条件对膜性能的影响；他们制备的最优性能的FO膜比HTI公司生产的CTA膜具有更好的亲水性和较低的膜污染倾向。中国海洋大学的刘蕾蕾和李丽丽等分别制备出性能优良的醋酸纤维素FO膜，聚酯筛网、聚酯无纺布和涤纶布等材料被用作膜支撑层材料进行比较，发现180目聚酯筛网作为支撑层时膜的性能最佳，膜液配方（聚合物浓度、添加剂含量等）、膜制备条件（蒸发时间、热处理温度等）和膜运行工况（膜放置方向、汲取液浓度等）对FO过程具有重要影响。目前，对FO技术的研究多停留于实验室阶段，制约FO技术发展的两大问题仍然是具有高水通量和低溶质反混通量的高性能FO膜的制备，因此，高性能FO膜的研制、产业化和FO技术广泛应用仍是膜制备领域的关键问题之一。
发明内容
为了解决上述问题的不足之处，本发明提供了一种高性能三醋酸纤维素正渗透膜的制备方法。所制备的正渗透膜具有良好的水通量和较低的溶质反混通量，亲水性良好，机械性能好等优点。
本发明提出的一种高性能三醋酸纤维素正渗透膜的制备方法，采用相转化法制备，具有较薄的活性层和聚酯材料支撑层结构，是一种非对称型膜材料；具体步骤如下：
（１）制备铸膜液，以三醋酸纤维素为聚合物，1,4-二氧六环和丙酮为有机溶剂，以乳酸和聚乙烯吡咯烷酮为添加剂；按质量分数计，将8-15wt%三醋酸纤维素、77-81wt%有机溶剂和9-13 wt%添加剂的比例充分混合，在室温下机械搅拌24h至各组分混合均匀，得到铸膜液；
（２）将步骤（１）中搅拌均匀的铸膜液密封静置在避光室温环境下12-24h，至完全脱泡；
（３）用透明胶带将聚酯筛网边缘粘贴在干净光滑平整的玻璃板上，确保筛网平整无褶皱；
（４）将步骤（２）中经过脱泡处理后的铸膜液倒入间隙为150μm的刮膜刀凹槽，通过刮膜机在聚酯筛网上刮出初生态平板膜；
（５）将步骤（４）中的初生态膜在室温和一定湿度环境下蒸发后，放入由去离子水组成的凝胶浴中进行分相固化处理，处理时间为2h；所述的环境湿度为40-70%；
（６）接着将步骤（５）所得膜放入水中进行热处理，热处理后的膜保存在去离子水中。
本发明中，步骤（１）中所述的聚合物含量为9-13 wt%。
本发明中，步骤（１）中所述1,4-二氧六环与丙酮的体积比为4：1-8：1。
本发明中，步骤（１）中所述添加剂中的聚乙烯吡咯烷酮含量为1-5 wt%。
本发明中，步骤（３）中所述的聚酯筛网目数为160-380目。
本发明中，步骤（５）中所述的蒸发时间为1-90s。
本发明中，步骤（６）中所述的热处理温度为30-90℃，热处理时间为10-60min。
本发明中，所得的三醋酸纤维素正渗透膜材料厚度为110μm，孔隙率为90%。
本发明的有益效果在于：
本发明所制得的三醋酸纤维素正渗透膜亲水性能优，机械性能好，孔隙率大，具有较高的水通量和较低的溶质反混通量，能够有效阻止溶质反向进入原料液导致的渗透压降低，同时有效地降低膜污染程度。
附图说明
图1为本发明实施例1中所制备的正渗透膜的表面扫描电镜照片图；
图2为本发明实施例2中所制备的正渗透膜的截面扫描电镜照片图，可以看出膜截面由较大的指状孔疏松排列构成。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。
实施例1
本实施例中三醋酸纤维素正渗透膜材料的制备方法如下：
1）铸膜液制备：将11 wt%的三醋酸纤维素加入68.2 wt% 1,4-二氧六环、11.4 wt%丙酮、7.5 wt%乳酸和1.9 wt%聚乙烯吡咯烷酮混合溶剂中，在室温条件下进行机械搅拌，搅拌时间为24h，形成均匀铸膜液；
2）铸膜液脱泡处理：将铸膜液密封静置于避光室温环境下，静置时间为12-24h。
3）支撑层准备：用透明胶带将160目聚酯筛网边缘粘贴在干净光滑平整的玻璃板上，确保筛网平整无褶皱。
4）刮膜机刮膜：将经过步骤2）脱泡处理后的铸膜液倒入间隙为150μm的刮膜刀凹槽，通过刮膜机在聚酯筛网上刮出初生态平板膜，在室温和湿度为70%的环境下挥发30s；
5）初生态膜固化：将步骤4）中经30s预蒸发后的平板膜放入由去离子水组成的凝胶浴中进行分相固化处理，处理时间为2h。
6）热处理：将步骤5）中经过凝胶浴处理的膜放入温度为45℃的水中进行热处理，热处理时间为10 分钟。热处理后的膜保存在去离子水中。
对以上述方法制备的三醋酸纤维素正渗透膜进行性能测试，以2mol/L氯化钠溶液作为汲取液，去离子水作为原料液。室温下测试结果为：水通量为11.3 L·m-2·h-1，溶质反混通量为0.33 mol·m-2·h-1 。
实施例2
1）铸膜液制备：将9wt%的三醋酸纤维素加入71.4wt% 1,4-二氧六环、10.2wt%丙酮、7.5wt%乳酸和1.9 wt%聚乙烯吡咯烷酮混合溶剂中，在室温条件下进行机械搅拌，搅拌时间为24h，形成均匀铸膜液；
2）铸膜液脱泡处理：将铸膜液密封静置于避光室温环境下，静置时间为12-24h。
3）支撑层准备：用透明胶带将160目聚酯筛网边缘粘贴在干净光滑平整的玻璃板上，确保筛网平整无褶皱。
4）刮膜机刮膜：将经过步骤2）脱泡处理后的铸膜液倒入间隙为150μm的刮膜刀凹槽，通过刮膜机在聚酯筛网上刮出初生态平板膜，在室温和湿度为70%的环境下挥发30s；
5）初生态膜固化：将步骤4）中经30s预蒸发后的平板膜放入由去离子水组成的凝胶浴中进行分相固化处理，处理时间为2h。
6）热处理：将步骤5）中经过凝胶浴处理的膜放入温度为45℃的水中进行热处理，热处理时间为10 分钟。热处理后的膜保存在去离子水中。
对以上述方法制备的三醋酸纤维素正渗透膜进行性能测试，以2mol/L氯化钠溶液作为汲取液，去离子水作为原料液。室温下测试结果为：水通量为8.60 L·m-2·h-1，溶质反混通量为0.77 mol·m-2·h-1 。
实施例3
1）铸膜液制备：将11 wt%的三醋酸纤维素加入63.7wt% 1,4-二氧六环、15.9wt%丙酮、7.5 wt%乳酸和1.9 wt%聚乙烯吡咯烷酮混合溶剂中，在室温条件下进行机械搅拌，搅拌时间为24h，形成均匀铸膜液；
2）铸膜液脱泡处理：将铸膜液密封静置于避光室温环境下，静置时间为12-24h。
3）支撑层准备：用透明胶带将160目聚酯筛网边缘粘贴在干净光滑平整的玻璃板上，确保筛网平整无褶皱。
4）刮膜机刮膜：将经过步骤2）脱泡处理后的铸膜液倒入间隙为150μm的刮膜刀凹槽，通过刮膜机在聚酯筛网上刮出初生态平板膜，在室温和湿度为70%的环境下挥发30s；
5）初生态膜固化：将步骤4）中经30s预蒸发后的平板膜放入由去离子水组成的凝胶浴中进行分相固化处理，处理时间为2h。
6）热处理：将步骤5）中经过凝胶浴处理的膜放入温度为45℃的水中进行热处理，热处理时间为10 分钟。热处理后的膜保存在去离子水中。
对以上述方法制备的三醋酸纤维素正渗透膜进行性能测试，以2mol/L氯化钠溶液作为汲取液，去离子水作为原料液。室温下测试结果为：水通量为6.39 L·m-2·h-1，溶质反混通量为0.55 mol·m-2·h-1 。
实施例4
1）铸膜液制备：将11 wt%的三醋酸纤维素加入68.2 wt% 1,4-二氧六环、11.4 wt%丙酮、7.5 wt%乳酸和1wt%聚乙烯吡咯烷酮混合溶剂中，在室温条件下进行机械搅拌，搅拌时间为24h，形成均匀铸膜液；
2）铸膜液脱泡处理：将铸膜液密封静置于避光室温环境下，静置时间为12-24h。
3）支撑层准备：用透明胶带将160目聚酯筛网边缘粘贴在干净光滑平整的玻璃板上，确保筛网平整无褶皱。
4）刮膜机刮膜：将经过步骤2）脱泡处理后的铸膜液倒入间隙为150μm的刮膜刀凹槽，通过刮膜机在聚酯筛网上刮出初生态平板膜，在室温和湿度为70%的环境下挥发30s；
5）初生态膜固化：将步骤4）中经30s预蒸发后的平板膜放入由去离子水组成的凝胶浴中进行分相固化处理，处理时间为2h。
6）热处理：将步骤5）中经过凝胶浴处理的膜放入温度为45℃的水中进行热处理，热处理时间为10 分钟。热处理后的膜保存在去离子水中。
对以上述方法制备的三醋酸纤维素正渗透膜进行性能测试，以2mol/L氯化钠溶液作为汲取液，去离子水作为原料液。室温下测试结果为：水通量为8.6 L·m-2·h-1，溶质反混通量为0.31 mol·m-2·h-1 。
实施例5
1）铸膜液制备：将11 wt%的三醋酸纤维素加入68.2 wt% 1,4-二氧六环、11.4 wt%丙酮、7.5 wt%乳酸和1.9 wt%聚乙烯吡咯烷酮混合溶剂中，在室温条件下进行机械搅拌，搅拌时间为24h，形成均匀铸膜液；
2）铸膜液脱泡处理：将铸膜液密封静置于避光室温环境下，静置时间为12-24h。
3）支撑层准备：用透明胶带将380目聚酯筛网边缘粘贴在干净光滑平整的玻璃板上，确保筛网平整无褶皱。
4）刮膜机刮膜：将经过步骤2）脱泡处理后的铸膜液倒入间隙为150μm的刮膜刀凹槽，通过刮膜机在聚酯筛网上刮出初生态平板膜，在室温和湿度为70%的环境下挥发30s；
5）初生态膜固化：将步骤4）中经30s预蒸发后的平板膜放入由去离子水组成的凝胶浴中进行分相固化处理，处理时间为2h。
6）热处理：将步骤5）中经过凝胶浴处理的膜放入温度为45℃的水中进行热处理，热处理时间为10 分钟。热处理后的膜保存在去离子水中。
对以上述方法制备的三醋酸纤维素正渗透膜进行性能测试，以2mol/L氯化钠溶液作为汲取液，去离子水作为原料液。室温下测试结果为：水通量8.91 L·m-2·h-1，溶质反混通量为0.33 mol·m-2·h-1 。
实施例6
1）铸膜液制备：将11 wt%的三醋酸纤维素加入68.2 wt% 1,4-二氧六环、11.4 wt%丙酮、7.5 wt%乳酸和1.9 wt%聚乙烯吡咯烷酮混合溶剂中，在室温条件下进行机械搅拌，搅拌时间为24h，形成均匀铸膜液；
2）铸膜液脱泡处理：将铸膜液密封静置于避光室温环境下，静置时间为12-24h。
3）支撑层准备：用透明胶带将160目聚酯筛网边缘粘贴在干净光滑平整的玻璃板上，确保筛网平整无褶皱。
4）刮膜机刮膜：将经过步骤2）脱泡处理后的铸膜液倒入间隙为150μm的刮膜刀凹槽，通过刮膜机在聚酯筛网上刮出初生态平板膜，在室温和湿度为70%的环境下挥发0s；
5）初生态膜固化：将步骤4）中经0s预蒸发后的平板膜放入由去离子水组成的凝胶浴中进行分相固化处理，处理时间为2h。
6）热处理：将步骤5）中经过凝胶浴处理的膜放入温度为45℃的水中进行热处理，热处理时间为10 分钟。热处理后的膜保存在去离子水中。
对以上述方法制备的三醋酸纤维素正渗透膜进行性能测试，以2mol/L氯化钠溶液作为汲取液，去离子水作为原料液。室温下测试结果为：水通量为11.71 L·m-2·h-1，溶质反混通量为0.51 mol·m-2·h-1 。
实施例7
1）铸膜液制备：将11 wt%的三醋酸纤维素加入68.2 wt% 1,4-二氧六环、11.4 wt%丙酮、7.5 wt%乳酸和1.9 wt%聚乙烯吡咯烷酮混合溶剂中，在室温条件下进行机械搅拌，搅拌时间为24h，形成均匀铸膜液；
2）铸膜液脱泡处理：将铸膜液密封静置于避光室温环境下，静置时间为12-24h。
3）支撑层准备：用透明胶带将80目聚酯筛网边缘粘贴在干净光滑平整的玻璃板上，确保筛网平整无褶皱。
4）刮膜机刮膜：将经过步骤2）脱泡处理后的铸膜液倒入间隙为150μm的刮膜刀凹槽，通过刮膜机在聚酯筛网上刮出初生态平板膜，在室温和湿度为70%的环境下挥发30s；
5）初生态膜固化：将步骤4）中经30s预蒸发后的平板膜放入由去离子水组成的凝胶浴中进行分相固化处理，处理时间为2h。
6）热处理：将步骤5）中经过凝胶浴处理的膜放入温度为30℃的水中进行热处理，热处理时间为10 分钟。热处理后的膜保存在去离子水中。
对以上述方法制备的三醋酸纤维素正渗透膜进行性能测试，以2mol/L氯化钠溶液作为汲取液，去离子水作为原料液。室温下测试结果为：水通量为7.67 L·m-2·h-1，溶质反混通量为0.78 mol·m-2·h-1 。
实施例8
1）铸膜液制备：将11 wt%的三醋酸纤维素加入68.2 wt% 1,4-二氧六环、11.4 wt%丙酮、7.5 wt%乳酸和1.9 wt%聚乙烯吡咯烷酮混合溶剂中，在室温条件下进行机械搅拌，搅拌时间为24h，形成均匀铸膜液；
2）铸膜液脱泡处理：将铸膜液密封静置于避光室温环境下，静置时间为12-24h。
3）支撑层准备：用透明胶带将80目聚酯筛网边缘粘贴在干净光滑平整的玻璃板上，确保筛网平整无褶皱。
4）刮膜机刮膜：将经过步骤2）脱泡处理后的铸膜液倒入间隙为150μm的刮膜刀凹槽，通过刮膜机在聚酯筛网上刮出初生态平板膜，在室温和湿度为70%的环境下挥发30s；
5）初生态膜固化：将步骤4）中经30s预蒸发后的平板膜放入由去离子水组成的凝胶浴中进行分相固化处理，处理时间为2h。
6）热处理：将步骤5）中经过凝胶浴处理的膜放入温度为45℃的水中进行热处理，热处理时间为60分钟。热处理后的膜保存在去离子水中。
对以上述方法制备的三醋酸纤维素正渗透膜进行性能测试，以2mol/L氯化钠溶液作为汲取液，去离子水作为原料液。室温下测试结果为：水通量为8.12 L·m-2·h-1，溶质反混通量为0.87 mol·m-2·h-1 。

Claims (8)

1.一种高性能三醋酸纤维素正渗透膜的制备方法，采用相转化法制备，具有较薄的活性层和聚酯材料支撑层结构，是一种非对称型膜结构；其特征在于具体步骤如下：
（1）制备铸膜液，以三醋酸纤维素为聚合物，1,4-二氧六环和丙酮为有机溶剂，以乳酸和聚乙烯吡咯烷酮为添加剂；按质量分数计，将8-15wt%三醋酸纤维素、77-81wt%有机溶剂和9-13 wt%添加剂的比例充分混合，在室温下机械搅拌24h至各组分混合均匀，得到铸膜液；
（２）将步骤（1）中搅拌均匀的铸膜液密封静置在避光室温环境下12-24h，至完全脱泡；
（３）用透明胶带将聚酯筛网边缘粘贴在干净光滑平整的玻璃板上，确保筛网平整无褶皱；
（４）将步骤（２）中经过脱泡处理后的铸膜液倒入间隙为150μm的刮膜刀凹槽，通过刮膜机在聚酯筛网上刮出初生态平板膜；
（５）将步骤（４）中的初生态膜在室温和一定湿度环境下蒸发后，放入由去离子水组成的凝胶浴中进行分相固化处理，处理时间为2h；所述的环境湿度为40-70%；
（６）接着将步骤（５）所得膜放入水中进行热处理，热处理后的膜保存在去离子水中。
2.根据权利要求1所述的高性能三醋酸纤维素正渗透膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的聚合物含量为9-13 wt%。
3.根据权利要求1所述的高性能三醋酸纤维素正渗透膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述1,4-二氧六环与丙酮的体积比为4:1-8:1。
4.根据权利要求1所述的高性能三醋酸纤维素正渗透膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述添加剂中的聚乙烯吡咯烷酮含量为1-5 wt%。
5.根据权利要求1所述的高性能三醋酸纤维素正渗透膜的制备方法，其特征在于：步骤（３）中所述的聚酯筛网目数为160-380目。
6.根据权利要求1所述的高性能三醋酸纤维素正渗透膜的制备方法，其特征在于：步骤（５）中所述的蒸发时间为1-90s。
7.根据权利要求1所述的高性能三醋酸纤维素正渗透膜的制备方法，其特征在于：步骤（６）中所述的热处理温度为30-90℃，热处理时间为10-60min。
8.根据权利要求1所述的高性能三醋酸纤维素正渗透膜的制备方法，其特征在于：所得的三醋酸纤维素正渗透膜材料厚度为110μm，孔隙率为90%。
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