CN108355498A - 荷负电复合纳滤膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种荷负电复合纳滤膜的制备方法,包括以下步骤:于水中加入磺化壳聚糖,搅拌,得水相溶液;于有机溶剂中加入酰氯,搅拌,得油相溶液;将多孔超滤基膜浸泡于所述水相溶液中,1‑60min后,取出烘干,再浸泡于所述油相溶液中,0.5‑5min后,取出,热处理10‑60min,即得。通过本发明制备方法所得荷负电聚酰胺复合纳滤膜具有优良的截留性能和通量:对1000ppm的Na2SO4水溶液截留率可达94.2%,渗透通量可达15.2L·m‑2·h‑1(室温、0.4MPa)。

Description

荷负电复合纳滤膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子分离膜技术领域,特别是涉及荷负电复合纳滤膜及其制备方法。
背景技术
膜技术是21世纪的重要新型高科技,目前研究开发的膜技术包括渗析、反渗透、微滤、超滤、纳滤、无机膜等等。其中,纳滤膜表面活性层拥有纳米级的微孔结构,孔径介于反渗透膜和超滤膜之间,具有操作压力低、渗透通量大等优点,应用广泛。
纳滤膜表面多带电荷,其过滤性与膜的荷电性及膜的制备方法有关,不同纳滤膜对溶质有不同的选择透过性。荷负电纳滤膜对负价离子有较好的截留率,可用于海水淡化、医药、食品、环保等领域。目前,制备荷负电纳滤膜的方法有涂覆交联法和辐照接枝法,制备过程复杂,反应时间长,难以实现工业化生产。
发明内容
基于此,有必要针对上述问题,提供一种荷负电复合纳滤膜及其制备方法。
本发明提供一种荷负电复合纳滤膜的制备方法。
具体技术方案为:
一种荷负电复合纳滤膜的制备方法,包括以下步骤:
于水中加入磺化壳聚糖,搅拌,得水相溶液;
于有机溶剂中加入酰氯,搅拌,得油相溶液;
将多孔超滤基膜浸泡于所述水相溶液中,1-60min后,取出烘干,再浸泡于所述油相溶液中,0.5-5min后,取出,热处理10-60min,即得。
在其中一个实施例中,所述磺化壳聚糖的磺化度为20%-30%,粘均分子量为68,000Da-75,000Da。
在其中一个实施例中,所述磺化壳聚糖的制备方法包括以下步骤:
于NaOH溶液中加入壳聚糖,得高脱乙酰度壳聚糖;
于甲酰胺中加入所述高脱乙酰度壳聚糖,混合均匀,然后加入浓硫酸,在-10~-5℃下,反应0.5-1.5h,得混合液;
于所述混合液中加入30-90mL的氯磺酸,在-10~-5℃下,反应4-12h得浅黄色液体;
将所述浅黄色液体冷冻、纯化,得磺化壳聚糖。
在其中一个实施例中,所述水相溶液中,所述磺化壳聚糖的浓度为0.1-10.0wt.%。
在其中一个实施例中,所述油相溶液中,所述酰氯的浓度为0.1-10.0wt.%。
在其中一个实施例中,所述热处理的温度为30-100℃
在其中一个实施例中,所述酰氯选自二元或多元酰氯单体。
所述二元或多元酰氯单体选自脂肪族多官能酰氯化合物、脂环族多官能酰氯化合物和芳香族多官能酰氯化合物的一种或多种。
所述脂肪族多官能酰氯化合物选自异丁酰氯、丁二酰氯、3-氯新戊酰氯、戊二酰氯、异壬酰氯、己二酰氯、癸二酰氯、和五氟辛酰氯的一种或几种;
所述脂环族多官能酰氯化合物选自环丙烷磺酰氯、环丁烷甲基磺酰氯、环丁烷甲酰氯、环戊烷丙酰氯、环戊烷磺酰氯、环己甲酰氯、和2-四氢呋喃甲酰氯的一种或多种;
所述芳香族多官能酰氯化合物选自对苯二甲酰氯、间苯二甲酰氯、邻苯二甲酰氯、联苯二甲酰氯、苯二磺酰氯和均苯三甲酰氯的一种或多种。
在其中一个实施例中,所述有机溶剂选自正己烷、环己烷、十二烷、庚烷、辛烷、二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜和三氟三氯乙烷中的一种或多种。
在其中一个实施例中,所述多孔超滤基膜的材料选自聚丙烯腈、聚砜、磺化聚砜、聚醚砜、磺化聚醚砜、聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、醋酸纤维素类、聚氨酯、聚氯乙烯、聚己内酰胺、聚酰亚胺或聚呋喃醇。
本发明还提供一种由上述制备方法制得的荷负电复合纳滤膜。
与现有方案相比,本发明具有以下有益效果:
上述荷负电复合纳滤膜的制备方法,以磺化壳聚糖的水溶液为水相,以含有酰氯的有机溶剂为油相,在多孔超滤基膜的表面进行界面聚合,形成表面活性层,得聚酰胺复合纳滤膜。该复合纳滤膜适用于二/高价负离子与单价离子、小分子有机物、染料和医药的分离与浓缩,具有较高的离子选择性。壳聚糖为地球上含量仅次于纤维素的天然多糖化合物,价格低廉,绿色、经济、环境友好。其磺酸化衍生物无毒、具有良好的水溶性、优良的荷电性能和反应活性,磺化壳聚糖富含胺基(-NH2),与酰氯之间的界面聚合反应迅速,制备周期短,制备方法简单、适用于工业化生产。通过本发明制备方法所得荷负电聚酰胺复合纳滤膜具有优良的截留性能和通量:对1000ppm的Na2SO4水溶液截留率可达94.2%,渗透通量可达15.2L·m-2·h-1(室温、0.4MPa),且无需在水相溶液中加入表面活性剂等其他添加助剂。此外,上述制备方法制得的荷负电纳滤膜还具有抗牛血清蛋白吸附污染特性,在200ppm的牛血清蛋白溶液中连续运行18h后,渗透通量无明显下降。
其中,通过对壳聚糖的磺化修饰,在壳聚糖中引入-SO3H、-COOH、-CH2COOH等基团,获得了具有良好水溶性和荷负电性能的磺化壳聚糖,通过控制氯磺酸的浓度和磺化反应时间,可调节其磺化度,进而调节荷负电复合纳滤膜的荷电性能和截留性能。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的荷负电复合纳滤膜及其制备方法作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例提供一种荷负电复合纳滤膜及其制备方法,其制备方法包括以下步骤:
步骤1:将1.5g磺化度为20%的磺化壳聚糖(粘均分子量:75,000Da)加入至50mL去离子水中搅拌使之溶解,抽滤,得到水相溶液;
步骤2:将多孔超滤基膜聚砜(PS)在水相溶液中浸泡5min;
步骤3:去除多余的水相溶液,将该膜置于恒温箱中烘干;
步骤4:将0.15g均苯三甲酰氯(TMC)加入至50mL正己烷中搅拌使之充分溶解,得到有机相溶液;
步骤5:将烘干后的膜在油相(有机相)溶液中浸泡2min;
步骤6:去除多余的有机相溶液,并将该膜置于60℃恒温箱中热处理30min,即得。
上述磺化度为20%的磺化壳聚糖的制备方法如下:
(1)称取12g壳聚糖粉末置于锥形瓶中,加入200mL 30%的NaOH溶液(V/V)。放入真空箱烘干备用,用碱量法测定其脱乙酰度为95.66%。
(2)称取2g高脱乙酰度壳聚糖于250mL三颈烧瓶中,再加入40mL甲酰胺,将三颈烧瓶放入低温装置中搅拌,待混合均匀后,用恒压滴液漏斗缓慢滴加一定量的浓硫酸,控制浓硫酸滴加速度使反应体系温度保持在-5℃以下。滴加完毕后,待反应1h后,再用恒压滴液漏斗缓慢滴加30mL氯磺酸,控制滴加氯磺酸的滴加速度,保持反应体系的温度在-5℃以下。滴加完毕后,恒温让其反应4h,反应结束后,得到浅黄色粘稠液体。将液体倒入500mL广口瓶中,加入冷冻过的乙醚浸泡,将广口瓶置于冰箱中冷冻过夜。
(3)将冷冻过的产品抽滤,用工业酒精将其洗涤至中性,最后再用无水酒精洗涤,将其洗涤后的产品置于50℃的真空烘箱中烘干得到较纯的磺化壳聚糖。将纯化的磺化壳聚糖溶于适量的去离子水中,使其充分溶解,过滤除去少量未反应物,滤液移入透析袋,用去离子水充分透析,直到透析液中无SO4 2-存在为止,将透析后的溶液在50-60℃下浓缩至干,即得磺化度为20%的磺化壳聚糖。
测试本实施例1中的荷负电复合纳滤膜对1000ppm的Na2SO4水溶液的R与F,结果见表1。
实施例2
本实施例提供一种荷负电复合纳滤膜及其制备方法,与实施例1基本相同,区别在于:步骤1中,将1.5g磺化度为30%的磺化壳聚糖(粘均分子量:68,000Da)加入至50mL去离子水中搅拌使之溶解,进而得荷负电复合纳滤膜。
上述磺化度为30%的磺化壳聚糖的制备方法与实施例1基本相同,区别在于:氯磺酸为为90mL;磺化反应时间为12h。
测试本实施例2中的荷负电复合纳滤膜对1000ppm的Na2SO4水溶液的R与F,结果见表1。
实施例3
本实施例提供一种荷负电复合纳滤膜及其制备方法,与实施例1基本相同,区别在于,在步骤4中,将0.15g间苯二甲酰氯(IPC)加入至50mL正己烷中搅拌使之充分溶解,进而得荷负电复合纳滤膜。
测试本实施例3中荷负电复合纳滤膜对1000ppm的Na2SO4水溶液的R与F,结果见表1。
对比例1
本对比例提供一种纳滤膜的制备方法,与实施例1基本相同,区别在于,步骤1中,将1.5g壳聚糖加入至50mL醋酸溶液中,进而得复合纳滤膜。
测试本对比例1中的复合纳滤膜对1000ppm的Na2SO4水溶液的R与F,结果见表1。
对比例2
本对比例提供一种纳滤膜的制备方法,与实施例1基本相同,区别在于,步骤1中,将1.5g磺化度为35%的磺化壳聚糖(粘均分子量:93,000Da)加入至50mL去离子水中搅拌使之溶解,进而得复合纳滤膜。
上述磺化度为35%的磺化壳聚糖的制备方法与实施例1基本相同,区别在于:氯磺酸为120mL;磺化反应时间为12h。
测试本对比例2中的复合纳滤膜对1000ppm的Na2SO4水溶液的R与F,结果见表1。
对比例3
本对比例提供一种纳滤膜的制备方法,与实施例1基本相同,区别在于,步骤1中,将1.5g磺化度为15%的磺化壳聚糖(粘均分子量:52,000Da)加入至50mL去离子水中搅拌使之溶解,进而得复合纳滤膜。
上述磺化度为15%的磺化壳聚糖的制备方法与实施例1基本相同,区别在于:氯磺酸为15mL;磺化反应时间为2.5h。
测试本对比例3中的复合纳滤膜对1000ppm的Na2SO4水溶液的R与F,结果见表1。
对比例4
本对比例提供一种纳滤膜的制备方法,与实施例1基本相同,区别在于,步骤1中,将1.5g季铵化壳聚糖加入至50mL去离子水中搅拌使之溶解,进而得复合纳滤膜。
测试本对比例3中的复合纳滤膜对1000ppm的Na2SO4水溶液的R与F,结果见表1。
试验例1
取实施例1-3和对比例1-3的荷负电纳滤膜,分别用去离子水漂洗干净,并在0.6MPa下预压一定时间,在0.4MPa、室温条件下,测试实施例1-3和对比例1-3中的荷负电纳滤膜对浓度为1000ppm的Na2SO4水溶液的R与F。截留率(R)和渗透通量(F)是评价复合纳滤膜的两个重要参数,R的计算公式如式(1)所示。
其中,R为截留率,cf-原料液浓度,cp-渗透液浓度。
F的计算公式如式(2)所示。
其中,F为膜渗透通量(L·m-2·h-1),V为渗透液体积(L),S为膜有效面积(m2),t为渗透时间(h)。
无机盐稀溶液浓度采用电导率法测试,对于单一电解质的稀溶液,其电导率与浓度成正比,则式(1)中cf与cp可以直接用原料液与渗透液的电导率值替代计算。对实施例1-3和对比例1-3制得的荷负电复合纳滤膜进行5次测试,测试结果为其平均值,结果见表1。
表1实施例1-3与对比例1-3的纳滤膜对Na2SO4水溶液的截留性能
实施例 水相/油相物质 F(L·m-2·h-1) R(%)
实施例1 磺化壳聚糖(磺化度:20%,粘均分子量:68,000Da)/TMC 15.2 94.2
实施例2 磺化壳聚糖(磺化度:30%,粘均分子量:75,000Da)/TMC 20.6 96.5
实施例3 磺化壳聚糖(磺化度:20%,粘均分子量:68,000Da)/IPC 18.9 92.4
对比例1 壳聚糖-醋酸溶液/TMC 10.5 35.6
对比例2 磺化壳聚糖(磺化度:35%,粘均分子量:93,000Da)/TMC 10.3 94.0
对比例3 磺化壳聚糖(磺化度:15%,粘均分子量:52,000Da)/TMC 28.2 78.3
对比例4 季铵化壳聚糖/TMC 14.8 18.9
由表1可知,采用磺化度为20%-30%的磺化壳聚糖作为水相制得的纳滤膜,对Na2SO4水溶液的截留率和渗透通量较高。
对比例1中,采用壳聚糖的醋酸溶液作为水相制得的纳滤膜,对Na2SO4水溶液的截留率和渗透通量较差。
对比例2中,磺化壳聚糖的磺化度较大,纳滤膜的渗透通量明显变小。
对比例3中,磺化度过小,截留率太低。
对比例4中,采用季铵化壳聚糖作为水相制得的纳滤膜,对Na2SO4水溶液的截留率较差。
试验例2
取实施例1的荷负电纳滤膜,用去离子水漂洗干净,并在0.6MPa下预压一定时间,在0.4MPa、室温条件下,测试实施例1中的荷负电纳滤膜对浓度为1000ppm的Na2SO4、MgSO4、NaCl、ZnCl2和MgCl2水溶液的R与F,结果见表2
表2实施例1的纳滤膜对不同无机盐水溶液的截留性能
无机盐 F(L·m-2·h-1) R(%)
Na2SO4 15.2 94.2
MgSO4 15.6 92.9
NaCl 14.8 58.8
ZnCl2 14.2 58.3
MgCl2 14.5 47.0
结果显示,采用磺化壳聚糖与二元/多元酰氯进行界面聚合反应,所制备的聚酰胺复合纳滤膜是一种荷负电复合纳滤膜,该膜对不同无机盐溶液的截留率顺序为:Na2SO4>MgSO4>NaCl>ZnCl2>MgCl2,对二价负离子具有较高的截留率,而对正离子和一价负离子的截留率较低,具有较高的离子选择性。
试验例3
取实施例1的荷负电纳滤膜,分别在去离子水和200ppm的牛血清蛋白水溶液中连续运行18h,测试并比较其F值,测试结果如表3。
表3实施例1的纳滤膜抗牛血清蛋白吸附污染性能
溶液体系 F(L·m-2·h-1)
去离子水 15.2
200ppm牛血清蛋白溶液 14.6
由表3可知,本实施例的荷负电纳滤膜还具有抗牛血清蛋白吸附污染特性,在200ppm的牛血清蛋白溶液中连续运行18h后,渗透通量无明显下降。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种荷负电复合纳滤膜的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
于水中加入磺化壳聚糖,搅拌,得水相溶液;
于有机溶剂中加入酰氯,搅拌,得油相溶液;
将多孔超滤基膜浸泡于所述水相溶液中,1-60min后,取出烘干,再浸泡于所述油相溶液中,0.5-5min后,取出,热处理10-60min,即得。
2.根据权利要求1所述的荷负电复合纳滤膜的制备方法,其特征在于,所述磺化壳聚糖的磺化度为20%-30%,粘均分子量为68,000Da-75,000Da。
3.根据权利要求1所述的荷负电复合纳滤膜的制备方法,其特征在于,所述磺化壳聚糖的制备方法包括以下步骤:
于NaOH溶液中加入壳聚糖,得高脱乙酰度壳聚糖;
于甲酰胺中加入所述高脱乙酰度壳聚糖,混合均匀,然后加入浓硫酸,在-10~-5℃下,反应0.5-1.5h,得混合液;
于所述混合液中加入30-90mL的氯磺酸,在-10~-5℃下,反应4-12h得浅黄色液体;
将所述浅黄色液体冷冻、纯化,得磺化壳聚糖。
4.根据权利要求1-3任一项所述的荷负电复合纳滤膜的制备方法,其特征在于,所述水相溶液中,所述磺化壳聚糖的浓度为0.1-10.0wt.%。
5.根据权利要求1-3任一项所述的荷负电复合纳滤膜的制备方法,其特征在于,所述油相溶液中,所述酰氯的浓度为0.1-10.0wt.%。
6.根据权利要求1-3任一项所述的荷负电复合纳滤膜的制备方法,其特征在于,所述热处理的温度为30-100℃。
7.根据权利要求1所述的荷负电复合纳滤膜的制备方法,其特征在于,所述酰氯选自二元或多元酰氯单体。
8.根据权利要求1-3任一项所述的荷负电复合纳滤膜的制备方法,其特征在于,所述有机溶剂选自正己烷、环己烷、十二烷、庚烷、辛烷、二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜和三氟三氯乙烷中的一种或多种。
9.根据权利要求1-3任一项所述的荷负电复合纳滤膜的制备方法,其特征在于,所述多孔超滤基膜的材料选自聚丙烯腈、聚砜、磺化聚砜、聚醚砜、磺化聚醚砜、聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、醋酸纤维素类、聚氨酯、聚氯乙烯、聚己内酰胺、聚酰亚胺或聚呋喃醇。
10.一种荷负电复合纳滤膜,其特征在于,由权利要求1-9任一项所述的制备方法制备而成。
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