CN108273400A - 一种用于铁元素分离的分离膜的制备方法 - Google Patents

一种用于铁元素分离的分离膜的制备方法 Download PDF

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韩海涛
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Abstract

本发明涉及一种用于铁元素分离的分离膜的制备方法,该分离膜具有优异的分离功能和耐酸碱性。与现有技术相比,该分离膜由复合结构组成,包括支撑层和其上的截留层,支撑层为多孔结构的高分子分离膜,截留层为高分子材料或者无机材料,其中,截留层孔径为25 nm~450 nm,孔径分布小于1.2,对颗粒态、胶体态和离子态铁具有良好的分离效果。

Description

一种用于铁元素分离的分离膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于铁元素分离的分离膜的制备方法,可用于分离对颗粒态、胶体态和离子态铁。
背景技术
铁是人体所需的微量元素,对人体的健康有直接影响。在食品医药卫生等行业对铁的含量有明确的要求。当人体缺铁时会造成人体携氧能力下降,而过高的铁将导致慢性丙型肝炎等疾病。海洋作用人类重要的食物来源,海产品中铁含量的高低,将严重影响食物链顶端的铁富集程度。维持正常的铁离子浓度,才能保证正常的生物链。
在海洋生态环境体系中,铁是有机体所必需的微量元素,对于植物的光合作用、呼吸作用过程中电子的转移、营养盐的还原和叶绿素的合成有关键作用。另外,铁还参与全球碳循环,对全球的生态体系有着重要影响。因此,准确测定海水中铁含量,对改变日益恶化的生态系统,赤潮等恶性事件预警具有重要意义。然而,海洋中铁的浓度偏低,只有0.05 ~2.0 mmol/dm3,因此其测定具有一定难度。对于海水体系而言,铁的含量和形式一直是分析检测的热点。海水中的铁分为颗粒态和溶解态。溶解态铁是能通过0.45 μm滤膜的简单离子、络合离子和微小的胶体粒子态等。通不过0.45 μm分离膜的部分称为颗粒态,这两部分铁的总和称为水样中总铁。0.2 ~ 0.4 μm之间的铁的形态为“胶体铁”。0.2 μm以下为离子、络合离子,这部分可以被生物体利用。因此,精确分离各种状态的铁是铁含量测定的关键。目前的分离膜多为聚砜、醋酸纤维素、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯材料,这些材料制备的分离膜孔径具有多分散性,很难实现铁的精确分离,所以开发高精度新型分离膜成为铁元素测定的关键。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的技术问题,提供一种用于铁元素分离的分离膜的制备方法。
为了实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种用于铁元素分离的分离膜的制备方法,其特征在于,
(a)具有支撑层和截留层的多层结构;
(b)所述的均孔截留层和支撑层都是多孔结构,其中截留层的表面膜孔直径为25 nm ~450 nm,孔径分布小于1.2;
(c)所述的支撑层可需要基材,也可不需要基材,其中所述基材起增强作用;
(d)分离膜厚度为50 μm ~300 μm,其中截留层厚度为50 nm ~ 150 μm,占分离膜厚度的0.1 ~ 50 %;支撑层厚度为150 μm ~ 300 μm,占分离膜厚度的50 ~ 99.9 %;
(e)分离膜可为平板膜,在0.1 MPa和25 ℃下的纯水通透率大于200 LMH.bar。
分离膜的材料截留层材料为高分子材料或无机材料,其中高分子材料包括聚苯乙烯嵌段共聚物,聚砜嵌段共聚物和聚偏氟乙烯嵌段共聚物;无机材料包括氧化铝,碳化硅和氮化硅。支撑层材料为上述高分子材料。
分离膜的支撑层和截留层均使用高分子材料,其制备步骤包括:
(a)将高分子溶液涂布在聚酯纤维无纺布上;
(b)使所述高分子溶液含浸在所述聚酯纤维无纺布中,然后使所述高分子溶液与凝固浴接触,由此通过相分离形成含浸在所述聚酯纤维无纺布中的支撑层;
(c)在所述支撑层上形成截留层;
(d)将(a) (b) (c)所形成初生态复合多层分离膜在40 ~ 60 ℃真空干燥处理;
(e)将(a) (b) (c) (d)步骤所形成的复合多层分离膜一定温度的水溶液或醇溶液或醇水混合溶液中浸泡12小时 ~ 24小时。
若支撑层为高分子材料,截留层为无机材料,其制备步骤包括:
(a)将高分子溶液涂布在聚酯纤维无纺布上;
(b)使所述高分子溶液含浸在所述聚酯纤维无纺布中,然后使所述高分子溶液与凝固浴接触,由此通过相分离形成含浸在所述聚酯纤维无纺布中的支撑层;
(c)将(a) (b)所形成初生态支撑层在40 ~ 60 ℃真空干燥处理;
(d)使用胶黏剂将无机材料粘附于支撑层上;
(e)将(a) (b) (c) (d)步骤所形成的复合多层分离膜一定温度的水溶液或醇溶液或醇水混合溶液中浸泡12小时 ~ 24小时。
当分离膜支撑层和截留层均使用高分子材料时,其中所述步骤包括在基材上同时涂布形成所述支撑层的高分子溶液α和形成截留功能层的高分子溶液β之后,使其与凝固浴接触从而发生相分离。同时涂布包括高分子溶液α在到达基材之前与高分子溶液β接触的状态,即在将高分子溶液α涂布在基材上时,将高分子溶液β涂布在高分子溶液α 上的状态;同时涂布也包括高分子溶液α先涂在基材上,在未进入凝固浴前,将高分子溶液β涂布在高分子溶液α层上的状态。
其中高分子溶液α与所述高分子溶液β可为同一种高分子材料。其特征在于:
高分子溶液α,由10 ~ 25 wt.%高分子材料和75 ~ 90 wt.% 良溶剂等组成;
高分子溶液β,由10 ~ 20 wt.%含聚苯乙烯嵌段共聚物、0 ~ 5 wt.% 非溶剂、和75 ~90 wt.% 良溶剂等组成。
其中,聚苯乙烯嵌段共聚物包括聚苯乙烯-b-聚(4-乙烯基吡啶)(PS-b-P4VP),聚苯乙烯-b-聚(2-乙烯基吡啶)(PS-b-P2VP),聚苯乙烯-b-聚氧乙烯(PS-b-PEO),聚苯乙烯-b-聚(聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)(PS-b-PDMAEMA);高分子材料除了包含上述苯乙烯嵌段共聚物外,还包括聚砜嵌段共聚物包括聚砜-b-聚(4-乙烯基吡啶)(PSf-b-P4VP),聚砜-b-聚(2-乙烯基吡啶)(PSf-b-P2VP),聚砜-b-聚氧乙烯(PSf-b-PEO),聚砜-b-聚(聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)(PSf-b-PDMAEMA),聚醚砜-b-聚(4-乙烯基吡啶)(PES-b-P4VP),聚醚砜-b-聚(2-乙烯基吡啶)(PES -b-P2VP),聚醚砜-b-聚氧乙烯(PES -b-PEO),聚醚砜-b-聚(聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)(PES -b-PDMAEMA),聚苯砜-b-聚(4-乙烯基吡啶)(PPSU-b-P4VP),聚苯砜-b-聚(2-乙烯基吡啶)(PPSU -b-P2VP),聚苯砜-b-聚氧乙烯(PPSU -b-PEO),聚苯砜-b-聚(聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)(PPSU -b-PDMAEMA);聚偏氟乙烯嵌段共聚物包括聚偏氟乙烯-b-聚(4-乙烯基吡啶)(PVDF-b-P4VP),聚偏氟乙烯-b-聚(2-乙烯基吡啶)(PVDF -b-P2VP),聚偏氟乙烯-b-聚氧乙烯(PVDF -b-PEO),聚偏氟乙烯-b-聚(聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)(PVDF-b-PDMAEMA)。
其中,非溶剂选自水、己烷、戊烷、苯、甲苯、甲醇、乙醇、三氯乙烯、乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、丙二醇、丁二醇、戊二醇、己二醇、低分子量的聚乙二醇等脂肪族烃、芳香烃、脂肪族醇、或它们的混合溶剂。
良溶剂选自N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、四氢呋喃、二甲基亚砜、四甲基亚砜、环丁砜、二苯基砜四甲基脲、二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺等酰胺、丙酮、甲乙酮等低级烷基酮、磷酸三甲酯、γ- 丁内酯等酯和内酯等的一种或多种混合物。
凝固浴的组成为水或有机溶剂的或其混合溶剂,其中有机溶剂包括二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基亚砜、四甲基亚砜、环丁砜、二苯基砜、乙醚中一种或其混合物。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解和认识,下面结合具体实施方式对本发明作出进一步的说明和介绍。
实施例1-4:
将20 wt.%的聚偏氟乙烯类嵌段共聚物,80 wt.%N-甲基-2-吡咯烷酮配置高分子溶液α;将20 wt.%的聚苯乙烯类嵌段共聚物,30 wt.%四氢呋喃,50 wt.%二甲基甲酰胺配置高分子溶液β,将高分子溶液置于室温下搅拌、静置脱泡。在聚酯无纺布上涂布形成所述支撑层的高分子溶液α,其与凝固浴(凝固浴的温度为80 ℃,凝固浴的组成为含有10 %二甲基乙酰胺的水溶液)接触从而发生相分离。60 ℃真空干燥处理后,将截留功能层的高分子溶液β涂覆与该支撑层上,其与凝固浴(凝固浴的温度为20 ℃,凝固浴的组成为含有10 %二甲基乙酰胺的乙醚溶液。)接触从而发生相分离。40 ℃真空干燥处理后,将该复合多层分离膜在40℃的含有1 %甲醇的水溶液中浸泡24小时。制备的分离膜表面孔径分布均小于1.2。
实施例5-18:
将10 wt.%的聚砜类嵌段共聚物,90 wt.% 二甲基乙酰胺配置高分子溶液α;将10 wt.%的聚苯乙烯嵌段共聚物,35 wt.%四氢呋喃,55 wt.% 二甲基乙酰胺配置高分子溶液β,将高分子溶液置于室温下搅拌、静置脱泡。在聚酯无纺布上涂布形成所述支撑层的高分子溶液α,其与凝固浴(凝固浴的温度为30 ℃,凝固浴的组成为含有10 %二甲基乙酰胺的水溶液。)接触从而发生相分离。60 ℃真空干燥处理后,将截留功能层的高分子溶液β涂覆与该支撑层上,其与凝固浴(凝固浴的温度为0 ℃,凝固浴的组成为冰乙醚)接触从而发生相分离。40℃真空干燥处理后,将该复合多层分离膜在40 ℃的水溶液中浸泡12小时。制备的分离膜表面孔径分布均小于1.2。
其中实施例6和8可用于铁元素分离,其中实施例8制备的分离膜可以筛分颗粒铁和溶解态铁,通过实施例8过滤的溶解态铁可以进一步通过实施例6孔径为200 nm的分离膜筛分胶体态铁和离子态铁。
实施例19-22:
将25 wt.%的苯乙烯类嵌段共聚物,75 wt.%二甲基乙酰胺配置高分子溶液α;将15wt.%的聚苯乙烯嵌段共聚物,5 wt.%二乙二醇,30 wt.%四氢呋喃,55 wt.% 二甲基乙酰胺配置高分子溶液β,将高分子溶液置于室温下搅拌、静置脱泡。在聚酯无纺布上同时涂布形成所述支撑层的高分子溶液α和形成截留功能层的高分子溶液β之后,其与凝固浴(凝固浴的温度为0℃,凝固浴的组成为冰甲醇)接触从而发生相分离。60 ℃真空干燥处理后,将该复合多层分离膜在40℃的水溶液中浸泡12小时。制备的分离膜表面孔径分布均小于1.2。
实施例23-26:
将15 wt.%的聚砜类嵌段共聚物,85 wt.% 环丁砜配置高分子溶液将高分子溶液置于室温下搅拌、静置脱泡。在玻璃板上涂布形成支撑层的高分子溶液,其与凝固浴(凝固浴的温度为30 ℃,凝固浴的组成为含有10 %乙醇的水溶液。)接触从而发生相分离。60 ℃真空干燥处理后,将无机材料使用聚砜粘结到支撑层上, 40 ℃真空干燥处理后,将该复合多层分离膜在40 ℃的水溶液中浸泡12小时。制备的分离膜表面孔径分布均小于1.2。
其中实施例23和26可用于铁元素分离,其中实施例23制备的分离膜可以筛分颗粒铁和溶解态铁,通过实施例23过滤的溶解态铁可以进一步通过实施例26孔径为200nm的分离膜筛分胶体态铁和离子态铁。
需要说明的是上述实施例仅是本发明的较佳实施例,并没有用来限定本发明的保护范围,在上述技术方案的基础上所作出的等同替换或者替代,均属于本发明的保护范围,本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种用于铁元素分离的分离膜的制备方法,其特征在于,
(a)具有支撑层和截留层的多层结构;
(b)所述的均孔截留层和支撑层都是多孔结构,其中截留层的表面膜孔直径为25 nm ~450 nm,孔径分布小于1.2;
(c)所述的支撑层可需要基材,也可不需要基材,其中所述基材起增强作用;
(d)分离膜厚度为50 μm ~300 μm;其中截留层厚度为50 nm ~ 150 μm,占分离膜厚度的0.1 ~ 50 %;支撑层厚度为150 μm ~300 μm,占分离膜厚度的50 ~ 99.9 %;
(e)分离膜可为平板膜,在0.1 MPa和25 ℃下的纯水通透率大于200 LMH.bar。
2.根据权利要求1所述的分离膜,截留层材料为高分子材料或无机材料,其中高分子材料包括聚苯乙烯嵌段共聚物,聚砜嵌段共聚物和聚偏氟乙烯嵌段共聚物,无机材料包括氧化铝、碳化硅和氮化硅,支撑层材料为上述高分子材料。
3.根据权利要求1和2所述的分离膜,支撑层和截留层均使用高分子材料,其制备步骤包括:
(a)将高分子溶液涂布在聚酯纤维无纺布上;
(b)使所述高分子溶液含浸在所述聚酯纤维无纺布中,然后使所述高分子溶液与凝固浴接触,由此通过相分离形成含浸在所述聚酯纤维无纺布中的支撑层;
(c)在所述支撑层上形成截留层;
(d)将(a) (b) (c)所形成支撑层在40 ~ 60 ℃真空干燥处理;
(e)将(a) (b) (c) (d)步骤所形成的复合多层分离膜一定温度的水溶液或醇溶液或醇水混合溶液中浸泡12小时~24小时。
4.根据权利要求1和2所述的分离膜,支撑层为高分子材料,截留层为无机材料,其制备步骤包括:
(a)将高分子溶液涂布在聚酯纤维无纺布上;
(b)使所述高分子溶液含浸在所述聚酯纤维无纺布中,然后使所述高分子溶液与凝固浴接触,由此通过相分离形成含浸在所述聚酯纤维无纺布中的支撑层;
(c)将(a) (b)所形成初生态复合多层分离膜在40 ~ 60 ℃真空干燥处理;
(d)使用胶黏剂将无机材料粘附于支撑层上;
(e)将(a) (b) (c) (d)步骤所形成的复合多层分离膜一定温度的水溶液或醇溶液或醇水混合溶液中浸泡12小时~24小时。
5.根据权利要求1所述的分离膜的制备方法,支撑层和截留层均使用高分子材料时,其中所述步骤包括在基材上同时涂布形成所述支撑层的高分子溶液α和形成截留功能层的高分子溶液β之后,使其与凝固浴接触从而发生相分离,同时涂布包括高分子溶液α在到达基材之前与高分子溶液β接触的状态,即在将高分子溶液α涂布在基材上时,将高分子溶液β涂布在高分子溶液α 上的状态;同时涂布也包括高分子溶液α先涂在基材上,在未进入凝固浴前,将高分子溶液β涂布在高分子溶液α层上的状态。
6.根据权利要求5所述的高分子溶液α与所述高分子溶液β可为同一种高分子材料,其特征在于:
(a)权利要求5所述的高分子溶液α,由10 ~ 25 wt.%高分子材料和75 ~ 90 wt.% 良溶剂等组成;
(b)权利要求5所述的高分子溶液β,由10 ~ 20 wt.%聚苯乙烯嵌段共聚物、0 ~ 5wt.%非溶剂和75 ~ 90 wt.% 良溶剂等组成。
7.根据权利要求2和6所述的聚苯乙烯嵌段共聚物和高分子材料,其中聚苯乙烯嵌段共聚物包括聚苯乙烯-b-聚(4-乙烯基吡啶)(PS-b-P4VP),聚苯乙烯-b-聚(2-乙烯基吡啶)(PS-b-P2VP),聚苯乙烯-b-聚氧乙烯(PS-b-PEO),聚苯乙烯-b-聚(聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)(PS-b-PDMAEMA);高分子材料除了包含上述苯乙烯嵌段共聚物外,还包括聚砜嵌段共聚物包括聚砜-b-聚(4-乙烯基吡啶)(PSf-b-P4VP),聚砜-b-聚(2-乙烯基吡啶)(PSf-b-P2VP),聚砜-b-聚氧乙烯(PSf-b-PEO),聚砜-b-聚(聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)(PSf-b-PDMAEMA),聚醚砜-b-聚(4-乙烯基吡啶)(PES-b-P4VP),聚醚砜-b-聚(2-乙烯基吡啶)(PES-b-P2VP),聚醚砜-b-聚氧乙烯(PES -b-PEO),聚醚砜-b-聚(聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)(PES -b-PDMAEMA),聚苯砜-b-聚(4-乙烯基吡啶)(PPSU-b-P4VP),聚苯砜-b-聚(2-乙烯基吡啶)(PPSU -b-P2VP),聚苯砜-b-聚氧乙烯(PPSU -b-PEO),聚苯砜-b-聚(聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)(PPSU -b-PDMAEMA);聚偏氟乙烯嵌段共聚物包括聚偏氟乙烯-b-聚(4-乙烯基吡啶)(PVDF-b-P4VP),聚偏氟乙烯-b-聚(2-乙烯基吡啶)(PVDF -b-P2VP),聚偏氟乙烯-b-聚氧乙烯(PVDF -b-PEO),聚偏氟乙烯-b-聚(聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)(PVDF-b-PDMAEMA)。
8.根据权利要求1、3和6所述的分离膜,其中非溶剂选自水、己烷、戊烷、苯、甲苯、甲醇、乙醇、三氯乙烯、乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、丙二醇、丁二醇、戊二醇、己二醇、低分子量的聚乙二醇等脂肪族烃、芳香烃、脂肪族醇、或它们的混合溶剂,良溶剂选自N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、四氢呋喃、二甲基亚砜、四甲基亚砜、环丁砜、二苯基砜四甲基脲、二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺等酰胺、丙酮、甲乙酮等低级烷基酮、磷酸三甲酯、γ-丁内酯等酯和内酯等的一种或多种混合物,凝固浴的组成为水或有机溶剂的或其混合溶剂,其中有机溶剂包括二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基亚砜、四甲基亚砜、环丁砜、二苯基砜、乙醚中一种或其混合物。
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