CN107626215A - 一种防污复合超滤膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有高亲水性和防污性能的复合超滤膜，按质量分数由下列组份组成，碱式硫酸镁晶须、高分子聚合物、致孔剂和有机溶剂。所述高分子聚合物优选为聚醚砜、聚砜、聚偏氟乙烯的一种。所述有机溶剂为N,N‑二甲基乙酰胺、N,N‑二甲基甲酰胺、N‑甲基吡咯烷酮中的一种。碱式硫酸镁晶须牢固镶嵌在高分子基质膜中，不易脱落；应用于牛血清蛋白溶液浓缩处理中，其纯水通量回复率可达90%以上；制备工艺简单，并且复合膜可根据需要加工成膜器件，有利于实现工业化应用。
Description
技术领域
本发明属于膜分离技术领域，具体涉及一种掺杂碱式硫酸镁晶须的防污复合超滤膜及其制备方法。
背景技术
由于人口和工业的快速增长，水资源短缺已成为人类生存面临的重大挑战之一。未来几十年，全球水需求将增长50％。目前，已开发的高效、低成本的水净化方法有膜过滤、高级氧化工艺和紫外辐射法等。超滤技术操作简单，成本低廉，不需要添加其他化学试剂，已广泛应用于海水淡化、给水处理、污水处理等领域。与其他传统的水净化过程相比，膜分离技术具有成本低、效率高等优势，被认为是最具有发展前景的技术之一。然而，膜污染是膜分离技术用于水净化处理中不可回避的问题之一。在膜分离过程中，水体中的有机大分子或微生物等污染物在膜表面上积聚导致膜渗透性和寿命急剧下降。因此，缓解膜污染是研究人员在开发用于水过滤工艺的新型聚合物膜的主要挑战。
目前，超滤膜的防污改性方法主要有表面涂层法，表面接枝聚合法，官能化聚合物法和有机/无机杂化法等。通过在铸膜液中加入亲水性无机纳米颗粒，例如纳米ZnO、 TiO2、Mg(OH)2等，可制备出具有高亲水性和防污能力的高通量有机/无机杂化超滤膜，因其操作简单，而成为近年来的研究热点。然而，纳米颗粒易在杂化膜基体中聚集，产生结构缺陷。另外，由于纳米颗粒的尺寸极小，在使用过程中易从杂化膜中脱出。
碱式硫酸镁晶须是富含羟基的高亲水性一维纳米材料，晶须之间作用力弱，因此易在膜基质中均匀分散。同时，碱式硫酸镁晶须具有较大的长径比，晶须长度在几十到几百微米范围内；与零维的纳米颗粒相比，其易被牢固的束缚在杂化膜基质中。相比于文献中报道的用于制备有机/无机杂化超滤膜的大多数纳米材料，碱式硫酸镁晶须已实现工业化生产，产品来源、质量稳定，价格低廉。但，其目前主要用做塑料增强剂，还未有将其用于制备亲水性抗污复合超滤膜的报道。
因此，将碱式硫酸镁晶须作为防污改性剂，用于制备超滤膜，开发一种具有防污性能的有机/无机复合超滤膜是膜分离领域中一项具有重要实际意义的工作。
发明内容
本发明提供了一种具有高通量和防污性能的复合超滤膜及其制备方法，本发明的复合超滤膜不仅能在较高的通量下保持稳定的截留率，还具有极好的防污性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种复合超滤膜，按质量分数由下列组份组成，1%～18%碱式硫酸镁晶须、12%～17%高分子聚合物、2%～8%致孔剂和65%～80%有机溶剂。
进一步地，所述碱式硫酸镁晶须的分子式为MgSO4·5Mg(OH)2·3H2O。
进一步地，所述高分子聚合物优选为聚醚砜、聚砜、聚偏氟乙烯的一种。
进一步地，所述致孔剂优选为聚乙二醇、水、聚乙烯基吡咯烷酮中的一种。
进一步地，所述有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种。
上述复合超滤膜的制备方法
(1) 称取碱式硫酸镁晶须、高分子聚合物、致孔剂和有机溶剂，将高分子聚合物和致孔剂加入有机溶剂中，在50-70℃下强烈搅拌一段时间后得到透明溶液；
(2) 将碱式硫酸镁晶须，加入步骤（1）所得的溶液中，在50-70℃下强烈搅拌，得到碱式硫酸镁晶须分散均匀的铸膜液；
(3) 在室温下，将步骤（2）所得铸膜液均匀涂覆在洁净的玻璃板上，立即浸没在去离子水中，获得复合膜，充分交换溶剂后，保存在蒸馏水中。
本发明有益效果在于：(1)通过控制碱式硫酸镁晶须和高分子聚合物的配比，可调节复合超滤膜的通量、截留率和防污性能；(2)碱式硫酸镁晶须永久性镶嵌在高分子基质膜中；(3) 应用于牛血清蛋白溶液浓缩处理中，保持高通量的同时，截留率、纯水通量回复率可达90%以上；（4）制备工艺简单，并且复合膜可根据需要加工成膜器件，有利于实现工业化应用。
附图说明
图1为实施例2复合超滤膜的扫描电镜图断面图。
图2为图1中复合超滤膜的局部放大图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例以及附图对本发明做进一步说明。
所制备的复合超滤膜均在室温和0.1MPa跨膜压力差下，用纯水和1g/L的牛血清白蛋白水溶液作为测试溶液，分别测定纯水通量和牛血清白蛋白的截留率以及纯水通量回复率。
实施例1
(1)将聚砜12重量份，聚乙二醇4重量份，加入N,N-二甲基甲酰胺73重量份，于65℃强烈搅拌2小时，得到透明的有机溶液。
(2)将碱式硫酸镁晶须11重量份，加入到上述有机溶液中，65℃下强烈搅拌24小时，在室温下，静置12小时，得到碱式硫酸镁晶须分散均匀的铸膜液。
(3)在室温下，将上述铸膜液均匀涂覆在洁净的玻璃板上，立即浸没在去离子水中，得到厚度150μm的复合膜，24小时内换水3次，即得到实施例1的复合超滤膜。
实施例1所制备的复合超滤膜在室温和0.1MPa跨膜压力差下，纯水通量为346.5L/(m2.h)，对牛血清白蛋白的截留率93.1%，通量回复率为87.5%。
实施例2
(1)将聚醚砜15重量份，聚乙二醇3重量份，加入N,N-二甲基甲酰胺66重量份，于65℃强烈搅拌2小时，得到透明的有机溶液。
(2)将碱式硫酸镁晶须16重量份，加入到上述有机溶液中，65℃下强烈搅拌24小时，得到碱式硫酸镁晶须分散均匀的铸膜液。
(3)在室温下，将上述铸膜液均匀涂覆在洁净的玻璃板上，立即浸没在去离子水中，得到厚度150μm的复合膜，24小时内换水3次，即得到实施例2的复合超滤膜。
实施例2所制备的复合超滤膜在室温和0.1MPa跨膜压力差下，纯水通量为378.6L/(m2.h)，对牛血清白蛋白的截留率95.4%，通量回复率为90.8%。
实施例3
(1)将聚醚砜18重量份，聚乙二醇5重量份，加入N,N-二甲基甲酰胺70重量份，于65℃强烈搅拌2小时，得到透明的有机溶液。
(2)将碱式硫酸镁晶须7重量份，加入到上述有机溶液中，65℃下强烈搅拌24小时，得到碱式硫酸镁晶须分散均匀的铸膜液。
(3)在室温下，将上述铸膜液均匀涂覆在洁净的玻璃板上，立即浸没在去离子水中，得到厚度150μm的复合膜，24小时内换水3次，即得到实施例3的复合超滤膜。
实施例3所制备的复合超滤膜在室温和0.1MPa跨膜压力差下，纯水通量为278.6L/(m2.h)，对牛血清白蛋白的截留率97.4%，通量回复率为89.8%。
实施例4
(1)将聚偏氟乙烯13重量份，聚乙二醇6重量份，加入N-甲基吡咯烷酮中75重量份，于65℃强烈搅拌2小时，得到透明的有机溶液。
(2)将碱式硫酸镁晶须6重量份，加入到上述有机溶液中，65℃下强烈搅拌24小时，得到碱式硫酸镁晶须分散均匀的铸膜液。
(3)在室温下，将上述铸膜液均匀涂覆在洁净的玻璃板上，立即浸没在去离子水中，得到厚度150μm的复合膜，24小时内换水3次，即得到实施例4的复合超滤膜。
实施例4所制备的复合超滤膜在室温和0.1MPa跨膜压力差下，纯水通量为323.1L/(m2.h)，对牛血清白蛋白的截留率90.4%，通量回复率为92.1%。
从图1和图2可以看出，由于较大的长度，碱式硫酸镁晶须能贯穿于指状孔中，因而能牢固镶嵌在高分子基质膜中。由于高分子基质膜材料的特殊结构，镶嵌为永久性镶嵌，不会出现使用过程中碱式硫酸镁晶须脱落。
Claims (5)
1.一种复合超滤膜，其特征在于，按质量分数由下列组份组成，1%～18%碱式硫酸镁晶须、12%～17%高分子聚合物、2%～8%致孔剂和65%～80%有机溶剂。
2.根据权利要求1所述的复合超滤膜，其特征在于，所述高分子聚合物为聚醚砜、聚砜、聚偏氟乙烯的一种。
3.根据权利要求2所述的复合超滤膜，其特征在于，所述有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种。
4.根据权利要求3所述的复合超滤膜，其特征在于，所述致孔为聚乙二醇、水和聚乙烯基吡咯烷酮中的一种。
5.一种权利要求1至4任一项所述的复合超滤膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)称取碱式硫酸镁晶须、高分子聚合物、致孔剂和有机溶剂，将高分子聚合物和致孔剂加入有机溶剂中，在50-70℃下强烈搅拌一段时间后得到透明溶液；
(2)将碱式硫酸镁晶须，加入步骤（1）所得的溶液中，在50-70℃下强烈搅拌，得到状碱式硫酸镁晶须分散均匀的铸膜液；
(3)在室温下，将步骤（2）所得铸膜液均匀涂覆在洁净的玻璃板上，立即浸没在去离子水中，获得复合膜，充分交换溶剂后，保存在蒸馏水中。
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