CN107789997A - 碟管式纳滤膜及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碟管式纳滤膜，其包括基膜层和设置于基膜层表面的改性分离层，改性分离层由纳米氧化物、两性双子表面活性剂和聚哌嗪酰胺制得。两性双子表面活性剂可对纳米氧化物进行表面处理，使其均匀分散，起到良好的改性效果，同时，在界面聚合时两性双子表面活性剂的迁移使得纳米氧化物更均匀地分散在膜表面，减少了纳米氧化物的用量，降低了过滤膜材料的生产成本。另外由于改善了纳米氧化物的分散性，以及两性双子表面活性剂自身对膜性能的提升，得到的纳滤膜过滤性能良好，可以将其应用于碟管式膜系统，过滤效果好：水通量大、脱盐率高。还提供一种碟管式纳滤膜的制备工艺，该制备工艺步骤简单，条件温和，适宜于工业化批量生产。

Description

碟管式纳滤膜及其制备工艺
技术领域
本发明属于膜分离技术领域，具体地说涉及一种碟管式纳滤膜及其制备工艺。
背景技术
近年来，工业生产产生的高浓废水成为一种对环境破坏严重的污染源，这些废水无法回用也不能排放，因此，急需寻找新型的分离净化技术解决该类废水的处理排放问题。随着经济和技术的发展，碟管式反渗透膜(DTRO膜)技术近年来逐渐引起了人们的关注，并得到了越来越广泛的应用。碟管式反渗透膜是一种专门用来处理高浓度污水的膜组件，其核心部件是碟管式膜片膜柱，使用时，将反渗透膜片与水力导流盘叠放在一起，用中心拉杆和端板固定后置入耐压套管，即形成一个膜柱。DTRO膜的工作原理为：料液通过膜堆与外壳之间的间隙后通过导流通道进入底部导流盘中，被处理的液体以最短的距离快速流经过滤膜，然后180度逆转到另一膜面，再流入到下一个过滤膜片，从而在膜表面形成由导流盘圆周到圆中心，再到圆周，再到圆中心的切向流过滤，浓缩液最后从进料端法兰处流出。料液流经过滤膜的同时，透过液通过中心收集管不断排出。浓缩液与透过液通过安装于导流盘上的O型密封圈隔离。
碟管式纳滤主要针对是高污染性、高盐分的料液，恶劣的使用环境需要碟管式纳滤膜材料具有更强的抗污染能力和更好的性能。目前针对碟管式纳滤使用环境进行相应膜材料进开发的研究很少，纳滤膜材料的研究仍主要是传统卷式反渗透膜。在传统卷式反渗透膜材料研发中，使用纳米氧化物进行改性是经常用到的一种方法，通过共混将具有亲水性、抗污染性、抗菌性的纳米氧化物引入使膜性能得到提升。但是纳米氧化物极高的表面能作用使得其极易产生聚集，在功能层中分散极度不均匀，在一定程度上影响了纳滤膜性能，尤其是大量制作时纳滤膜性能难以保障，使得这种改性膜尚不能很好的用在碟管式膜系统中。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于纳滤膜尚无法应用于碟管式反渗透膜系统，从而提出一种可应用于碟管式反渗透膜系统的碟管式纳滤膜及其制备工艺。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
本发明提供一种碟管式纳滤膜，其包括基膜层和设置于所述基膜层表面的改性分离层，所述改性分离层由纳米氧化物、两性双子表面活性剂和聚哌嗪酰胺组制得。
作为优选，所述纳米氧化物为纳米二氧化钛、纳米二氧化硅、纳米氧化石墨烯中的至少一种。
作为优选，所述两性双子表面活性剂的结构通式为：
其中，R1、R2为饱和烃基。
作为优选，所述基膜层为聚醚砜层。
本发明还提供一种所述的碟管式纳滤膜的制备工艺，其包括如下步骤：
a、将两性双子表面活性剂、哌嗪和纳米氧化物溶于去离子水中形成水相溶液，所述两性双子表面活性剂占水相溶液的质量百分比为0.01-2％，所述哌嗪占水相溶液的质量百分比为1-4％，所述纳米氧化物占水相溶液的质量百分比为0.01-1％；将多元酰氯溶于有机溶剂得到有机相溶液，所述多元酰氯占有机相溶液的质量百分比为0.1-1％；
b、用步骤a得到的所述水相溶液浸泡基膜层3-4min，去除多余水相溶液后将所述基膜层用所述有机相溶液浸泡1-2min；
c、将经过步骤b处理得到的基膜层在40-70℃下反应1-3min；
d、将步骤c得到的膜片置于温水中浸泡，并在常温水中去除未反应单体及溶剂。
作为优选，所述多元酰氯为均苯三甲酰氯或间苯二甲酰氯。
作为优选，所述有机溶剂为正己烷、环己烷或乙基环己烷。
作为优选，所述步骤d中所述的温水为40-50℃的去离子水，浸泡时间为0.5-1h。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明所述的碟管式纳滤膜，其包括基膜层和设置于所述基膜层表面的改性分离层，所述改性分离层由纳米氧化物、两性双子表面活性剂、和聚哌嗪酰胺制得。两性双子表面活性剂可对纳米氧化物进行表面处理，使其均匀分散，起到良好的改性效果，同时，在界面聚合时两性双子表面活性剂的迁移使得纳米氧化物更均匀地分散在膜表面，减少了纳米氧化物的用量，降低了过滤膜材料的生产成本。另外由于改善了纳米氧化物的分散性，以及两性双子表面活性剂自身对膜性能有较大的提升，得到的纳滤膜过滤性能良好，可以将其应用于碟管式膜系统，过滤效果好：水通量大、脱盐率高。
(2)本发明所述的碟管式纳滤膜的制备工艺，首先将两性双子表面活性剂、哌嗪和纳米氧化物溶解于水中形成水相溶液，将多元酰氯溶于有机溶剂得到有机相溶液，将基膜层分别用水相溶液和有机相溶液浸泡，在40-70℃下反应后置于温水中浸泡，出去未反应单体及溶剂后即得纳滤膜。该制备工艺步骤简单，条件温和，适宜于工业化批量生产。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明实施例1所述的碟管式纳滤膜的截面电镜图。
图2是本发明实施例1-4所述的碟管式纳滤膜对牛血清蛋白溶液的运行通量衰减图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种碟管式纳滤膜，其包括聚醚砜基膜层和设置于所述基膜层表面的改性分离层，所述改性分离层由纳米氧化物、两性双子表面活性剂和聚哌嗪酰胺组成，所述纳米氧化物、两性双子表面活性剂和聚哌嗪酰胺的质量比为1:1:100，本实施例中，所述纳米氧化物为纳米二氧化钛，其粒径为80nm，所述两性双子表面活性剂的结构通式为：
其中，R1、R2为饱和烃基，本实施例中，所述R1为CH3(CH2)2-，所述R2为CH2CH3-，所述两性双子表面活性剂的分子式为：CH3(CH2)2CHSO3HCOO(CH2)3NBr(CH3)2CH2CH3。
本实施例还提供一种制备所述碟管式纳滤膜的工艺，其包括如下步骤：
a、将上述两性双子表面活性剂、哌嗪和纳米二氧化钛溶于去离子水中形成水相溶液，所述两性双子表面活性剂占水相溶液的质量百分比为0.01％，所述哌嗪占水相溶液的质量百分比为1％，所述纳米二氧化钛占水相溶液的质量百分比为0.01％；将多元酰氯溶于有机溶剂得到有机相溶液，所述多元酰氯占有机相溶液的质量百分比为0.1％，本实施例中所述多元酰氯为均苯三甲酰氯；
b、用步骤a得到的所述水相溶液浸泡聚醚砜基膜层3min，去除多余水相溶液后将所述基膜层用所述有机相溶液浸泡1min；
c、将经过步骤b处理得到的基膜层在40℃下反应3min；
d、将步骤c得到的膜片置于40℃的温水中浸泡1h，并在常温水中去除未反应单体及溶剂，即得碟管式纳滤膜，所述碟管式纳滤膜的截面透镜图如图1所示。
实施例2
本实施例提供一种碟管式纳滤膜，其包括聚醚砜基膜层和设置于所述基膜层表面的改性分离层，所述改性分离层由纳米氧化物、两性双子表面活性剂和聚哌嗪酰胺组成，所述纳米氧化物、两性双子表面活性剂和聚哌嗪酰胺的质量比为100:200:400，本实施例中，所述纳米氧化物为纳米二氧化硅，其粒径为100nm，所述两性双子表面活性剂的结构通式为：
其中，R1、R2为饱和烃基，本实施例中，所述R1为CH3-，所述R2为CH3CH2CH2-，所述两性双子表面活性剂的分子式为：CH3CHSO3HCOO(CH2)3NBr(CH3)2(CH2)2CH3。
本实施例还提供一种制备所述碟管式纳滤膜的工艺，其包括如下步骤：
a、将上述两性双子表面活性剂、哌嗪和纳米二氧化钛溶于去离子水中形成水相溶液，所述两性双子表面活性剂占水相溶液的质量百分比为2％，所述哌嗪占水相溶液的质量百分比为4％，所述纳米二氧化钛占水相溶液的质量百分比为1％；将多元酰氯溶于有机溶剂得到有机相溶液，所述多元酰氯占有机相溶液的质量百分比为1％，本实施例中所述多元酰氯为间苯二甲酰氯；
b、用步骤a得到的所述水相溶液浸泡聚醚砜基膜层4min，去除多余水相溶液后将所述基膜层用所述有机相溶液浸泡2min；
c、将经过步骤b处理得到的基膜层在70℃下反应1min；
d、将步骤c得到的膜片置于50℃的温水中浸泡0.5h，并在常温水中去除未反应单体及溶剂，即得碟管式纳滤膜。
实施例3
本实施例提供一种碟管式纳滤膜，其包括聚醚砜基膜层和设置于所述基膜层表面的改性分离层，所述改性分离层由纳米氧化物、两性双子表面活性剂和聚哌嗪酰胺组成，所述纳米氧化物、两性双子表面活性剂和聚哌嗪酰胺的质量比为25:60:250，本实施例中，所述纳米氧化物为纳米氧化石墨烯，其粒径为60nm，所述两性双子表面活性剂的结构通式为：
其中，R1、R2为饱和烃基，本实施例中，所述R1为CH3-，所述R2为CH3-，所述两性双子表面活性剂的分子式为：CH3CHSO3HCOO(CH2)3NBr(CH3)2CH3。
本实施例还提供一种制备所述碟管式纳滤膜的工艺，其包括如下步骤：
a、将上述两性双子表面活性剂、哌嗪和纳米二氧化钛溶于去离子水中形成水相溶液，所述两性双子表面活性剂占水相溶液的质量百分比为0.2％，所述哌嗪占水相溶液的质量百分比为2.5％，所述纳米二氧化钛占水相溶液的质量百分比为0.6％；将多元酰氯溶于有机溶剂得到有机相溶液，所述多元酰氯占有机相溶液的质量百分比为0.5％，本实施例中所述多元酰氯为间苯二甲酰氯；
b、用步骤a得到的所述水相溶液浸泡聚醚砜基膜层3.5min，去除多余水相溶液后将所述基膜层用所述有机相溶液浸泡1.5min；
c、将经过步骤b处理得到的基膜层在55℃下反应2min；
d、将步骤c得到的膜片置于45℃的温水中浸泡0.7h，并在常温水中去除未反应单体及溶剂，即得碟管式纳滤膜。
实施例4
本实施例提供一种碟管式纳滤膜，其包括聚醚砜基膜层和设置于所述基膜层表面的改性分离层，所述改性分离层由纳米氧化物、两性双子表面活性剂和聚哌嗪酰胺组成，所述纳米氧化物、两性双子表面活性剂和聚哌嗪酰胺的质量比为30:10:200，本实施例中，所述纳米氧化物为纳米二氧化钛，其粒径为70nm，所述两性双子表面活性剂的结构通式为：
其中，R1、R2为饱和烃基，本实施例中，所述R1为(CH2)2CH3-，所述R2为CH3-，所述两性双子表面活性剂的分子式为：(CH2)2CH3CHSO3HCOO(CH2)3NBr(CH3)2CH3。
本实施例还提供一种制备所述碟管式纳滤膜的工艺，其包括如下步骤：
a、将上述两性双子表面活性剂、哌嗪和纳米二氧化钛溶于去离子水中形成水相溶液，所述两性双子表面活性剂占水相溶液的质量百分比为1％，所述哌嗪占水相溶液的质量百分比为2％，所述纳米二氧化钛占水相溶液的质量百分比为0.3％；将多元酰氯溶于有机溶剂得到有机相溶液，所述多元酰氯占有机相溶液的质量百分比为0.3％，本实施例中所述多元酰氯为均苯三甲酰氯；
b、用步骤a得到的所述水相溶液浸泡聚醚砜基膜层3.2min，去除多余水相溶液后将所述基膜层用所述有机相溶液浸泡1.7min；
c、将经过步骤b处理得到的基膜层在60℃下反应2.3min；
d、将步骤c得到的膜片置于40℃的温水中浸泡0.8h，并在常温水中去除未反应单体及溶剂，即得碟管式纳滤膜。
测试例
1、分别测试市面常规纳滤膜(对比例)和实施例1-4所述的纳滤膜的分离性能，测试条件为以2000mg/L的硫酸镁溶液作为原料液，在25℃、70psi的压力下测定纳滤膜的分离性能。
2、通过接触角仪测试常规纳滤膜与实施例1-4所述的纳滤膜的表面亲水性。
测试结果如表1所示：
表1
编号 水通量(GPD) 脱盐率(％) 水接触角(°)
对比例 21.2 96.8 61
实施例1 35.1 97.4 42
实施例2 29.4 98.2 51
实施例3 31.1 98.5 39
实施例4 33.6 98.8 36
上述测试结果表明，与现有常规纳滤膜相比，实施例1-4所述的碟管式纳滤膜具有更高的水通量，可达29％以上，同时还具有高脱盐率，可达97％以上，水接触角小，润湿性更好。
3、采用0.2g/L的牛血清蛋白溶液进行错流过滤2h，通过运行的通量衰减情况来衡量常规纳滤膜(比较例)、实施例1-4所述的纳滤膜的抗污染能力，结果如图2所示。由图中可看出，与常规过滤膜(比较例)本发明实施例1-4所述的碟管式纳滤膜具有更高的运行通量，说明其抗污染能力更强。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种碟管式纳滤膜，其特征在于，包括基膜层和设置于所述基膜层表面的改性分离层，所述改性分离层由纳米氧化物、两性双子表面活性剂和聚哌嗪酰胺制得。
2.根据权利要求1所述的碟管式纳滤膜，其特征在于，所述纳米氧化物、两性双子表面活性剂和聚哌嗪酰胺的质量比为1-100:1-200:100-400。
3.根据权利要求2所述的碟管式纳滤膜，其特征在于，所述纳米氧化物为纳米二氧化钛、纳米二氧化硅、纳米氧化石墨烯中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的碟管式纳滤膜，其特征在于，所述两性双子表面活性剂的结构通式为：
其中，R1、R2为饱和烃基。
5.根据权利要求4所述的碟管式纳滤膜，其特征在于，所述基膜层为聚醚砜层。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的碟管式纳滤膜的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
a、将两性双子表面活性剂、哌嗪和纳米氧化物溶于去离子水中形成水相溶液，所述两性双子表面活性剂占水相溶液的质量百分比为0.01-2％，所述哌嗪占水相溶液的质量百分比为1-4％，所述纳米氧化物占水相溶液的质量百分比为0.01-1％；将多元酰氯溶于有机溶剂得到有机相溶液，所述多元酰氯占有机相溶液的质量百分比为0.1-1％；
b、用步骤a得到的所述水相溶液浸泡基膜层3-4min，去除多余水相溶液后将所述基膜层用所述有机相溶液浸泡1-2min；
c、将经过步骤b处理得到的基膜层在40-70℃下反应1-3min；
d、将步骤c得到的膜片置于温水中浸泡，并在常温水中去除未反应单体及溶剂。
7.根据权利要求6所述的碟管式纳滤膜的制备工艺，其特征在于，所述多元酰氯为均苯三甲酰氯或间苯二甲酰氯。
8.根据权利要求7所述的碟管式纳滤膜的制备工艺，其特征在于，所述有机溶剂为正己烷、环己烷或乙基环己烷。
9.根据权利要求8所述的碟管式纳滤膜的制备工艺，其特征在于，所述步骤d中所述的温水为40-50℃的去离子水，浸泡时间为0.5-1h。
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