CN108636130A - 聚合物-金属复合分离膜制备方法及应用 - Google Patents

聚合物-金属复合分离膜制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种聚合物‑金属复合分离膜制备方法及应用，通过多巴胺涂敷聚偏氟乙烯微滤膜使其具有吸附银离子能力，然后将吸附银离子的膜浸入到含有硫酸镍的还原性溶液中，通过反应将镍复合在聚合物分离膜上，从而制备得到聚合物‑金属复合分离膜。得到的聚合物‑金属复合分离膜实现了刚果红截留率对电场的敏感性，其同时具备截留稳定性，随着电场的增强而截留效率增加，适合于选择性分离，通过改变环境电场强度，能够方便地控制膜的分离特性。本方法操作简单、成本低、易于实现工业化应用，在印染废水的应用方面具有重要意义。

Description

聚合物-金属复合分离膜制备方法及应用
技术领域
本发明涉及聚合物分离膜表面改性技术领域，特别涉及一种聚合物-金属复合分离膜制备方法及应用。
背景技术
水资源匮乏和水污染问题引起了越来越多全球性的关注。我国的水资源尤其缺乏，并且水污染问题更加突出。近10年，我国水污染事件高发，水污染事故每年都在1700起以上。环保部统计资料显示，湖泊水源地水质约70％不达标，地下水水源地约60％不达标。水环境污染俨然已经成为我国亟待解决关键问题，污水资源化是解决该问题的关键途径之一。
膜技术作为一门崭新的跨学科实用化技术，近年来在污水资源化利用方面也渐露头角。使用膜分离技术可以去除水中的悬浮物、细菌、有毒金属物质和有机物,大大改善水质.与传统分离技术相比，膜技术更具有高效、节能、环境友好、过程容易控制、操作方便、易与其他技术集成等优点。因此，膜法水处理技术被誉为“二十一世纪的水处理技术”。
受膜技术的吸引，研究者开展了各种的膜技术的研发。其中，研发具有特殊功能性的分离膜是当前一个热点。近年来，随着智能高分子聚合物的研究，人们开始关注对外界环境条件变化具有敏感反应与自我调节的功能膜。例如，具有pH值敏感性的分离膜。四川大学研究人员在聚合物膜上接枝小分子单体方面做了深入研究。例如，在接枝丙烯酸类的单体后，聚合物膜表现出了pH敏感性，pH由11.3变化到2.3后，其通量增加了近10倍(Qian etal.2009)。这是由于丙烯酸类链的溶胀会受到pH的影响，在高pH时，分子链的溶胀作用会导致膜孔减小，在低pH时，分子链的收缩作用导师膜孔增大。Iwata等通过等离子技术在聚偏氟乙烯(PVDF)膜上接枝亲水性单体。接枝链表现出显著的pH敏感性，pH由5.2变化到1.4后，接枝膜的过滤速率提高了近10倍(Iwata and Matsuda 1988)。另外，褚良银等开发了对热(温度)具有敏感性的分离膜。其将具有热敏感性的胶束和膜结合，制备的膜表现出了热敏感性(Chu et al.2001,Xie et al.2007)。
对环境敏感性的膜在精准分离、药物控制释放等方面具有极大的应用潜力。当前的研究集中在pH敏感性膜和热敏感性膜方面，在取得了积极的效果的同时也存在着一些问题。例如，调节pH条件变化需要大量化学试剂，物质成本和时间成本高。并且pH范围有限制，对材料的稳定性有破坏。温度条件变化需要大量能量消耗和时间成本，温度调节范围有限。相对而言，电场调节可以在瞬间完成，并且具有对材料的稳定性要求低和成本低的优势。然而，目前尚没有关于电场敏感性的膜的公开报道。因此，研发具有电场敏感性的分离膜具有重要的应用价值和学术意义。
发明内容
本发明的目的是为解决以上问题，本发明提供一种能够过滤刚果红溶液，且对刚果红的截留率具有电场敏感性的聚合物-金属复合分离膜制备方法及应用。
根据本发明的一个方面，提供一种聚合物-金属复合分离膜制备方法，包括以下步骤：
将特定孔径的聚合物分离膜放置于多巴胺溶液，控制温度并保持震荡，得到多巴胺涂敷的聚合物分离膜。
将多巴胺涂敷的聚合物分离膜浸入硝酸银溶液，得到吸附银离子的聚合物分离膜。
将吸附银离子的聚合物分离膜浸入含有金属硫酸盐的还原性溶液，反应得到聚合物-金属复合分离膜。
其中，硫酸镍的还原性溶液包括金属硫酸盐、二甲胺基甲硼烷、焦磷酸钠和28％浓氨水。
其中，得到多巴胺涂敷的聚合物分离膜的步骤中，使用的聚合物分离膜的孔径为0.01～0.9微米，控制温度为25～35℃。
其中，所述制备方法还包括位于制得多巴胺涂敷的聚合物分离膜之前的步骤：使用多巴胺和去离子水制备多巴胺溶液。
其中，多巴胺溶液和硝酸银溶液的浓度为20:1。
其中，制得氟乙烯-镍复合分离膜的步骤中，反应时间为8～15min；制得吸附银离子的聚合物分离膜的步骤中，浸入时间为5min以上。
其中，金属为铜或镍，聚合物为聚偏氟乙烯、聚砜、聚乙烯或聚丙烯的一种。
其中，金属为镍，聚合物为聚偏氟乙烯。
根据本发明的第二方面，提供该聚合物-金属复合分离膜制备方法获得的聚合物-金属复合分离膜。
根据本发明的第三方面，提供该制备方法制备的聚合物-金属复合分离膜在电场条件下处理印染废水的应用。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过预涂覆将金属还原于聚合物分离膜上制备金属-聚合物复合分离膜，实现了刚果红截留率对电场的敏感性，其同时具备截留稳定性，随着电场的增强截留效率增加，在20V电压下，对刚果红截留率能够稳定在95％以上，适合于选择性分离，通过改变环境电场强度，能够方便地控制膜的分离特性。
本发明通过多巴胺涂覆于聚合物分离膜上，实现对聚合物分离膜对银离子的吸附功能。该方法适用性强，可以轻易的实现多巴胺涂覆，且设备简单，成本低，易于实现大规模工业化应用。
本发明将金属还原于聚合物分离膜上，该反应过程条件温和，无需能耗，反应效率高，具有明显的推广优势。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了根据本发明实施方式的聚合物-金属复合分离膜的制备方法的流程图；
图2示出了根据本发明实施方式的聚合物-金属复合分离膜的制备方法的复合前后的膜表面扫描电镜(SEM)图；
图3示出了根据本发明实施方式的聚合物-金属复合分离膜在不同电压时对刚果红的截留率图；
图4电场交替设置为0V和20V时聚合物-金属复合分离膜对刚果红的截留率图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1 PVDF-Ni(聚偏氟乙烯-镍)复合分离膜的研制
在洁净的烧杯中加入300毫升的去离子水，然后将0.06mol多巴胺加入到去离子水中，超声并搅拌30分钟后，将干净的聚偏氟乙烯(PVDF)膜片放入烧杯中。然后，放入震荡培养箱中恒温震荡24小时，从而得到多巴胺涂覆的PVDF膜，多巴胺的作用是在下一步实验中吸附足够的银离子。
在含有100ml去离子水的烧杯中加入0.16987g的硝酸银，超声搅拌10分钟得到银离子溶液。将上一步中涂覆了多巴胺的PVDF膜浸入到硝酸银溶液中，保持5分钟以保证吸附了足够的银离子。然后将膜取出，用去离子水冲洗膜表面以去除多余的银离子。
在含有1L去离子水的烧杯中依次加入25g硫酸镍、50g焦磷酸钠、45ml的28％浓氨水和1.5g二甲胺基甲硼烷。超声搅拌20分钟得到均匀的镍(Ni)还原性溶液。将上一步中的PVDF膜浸入到Ni还原性溶液中，保持反应10min，最终得到PVDF-Ni复合分离膜。具体实验方法如图1所示。
为了考察复合前后膜表面的形貌变化，对膜进行了SEM测试，结果发现，PVDF-Ni复合分离膜表面出现了突起的颗粒结构(图2)，证明了Ni被成功的复合到PVDF膜表面上。
对制备的PVDF-Ni复合分离膜安装于带有电场调节功能的过滤装置上，过滤刚果红溶液，从低到高调节电压，通过调节电压大小以设置电场强度，并记录不同电压下对刚果红的截留率数据。测试由氮气钢瓶提供，测试压力设置为0.1兆帕。
实验结果显示，在电场为0V时，对截留率为51.33％，2V时为55.22％，7V时为69.19％，10V时为85.54％，15V时为92.34％，20V时达到97.93％。如图3所示。
为了观察进一步考察PVDF-Ni复合分离膜对刚果红截留率的敏感性，采用交替调整电场强度，交替电压分别为0V和20V，重复6个循环。如图4所示，结果显示，PVDF-Ni复合分离膜对刚果红的截留率表现出持续稳定的敏感性。
实施例2 PP-Cu(聚丙烯-铜)复合分离膜的研制
在洁净的烧杯中加入500毫升的去离子水，然后将0.1mol多巴胺加入到去离子水中，超声并搅拌30分钟后，将干净的聚丙烯(PP)膜片放入烧杯中。然后，放入震荡培养箱中恒温震荡24小时，从而得到多巴胺涂覆的PP膜，多巴胺的作用是在下一步实验中吸附足够的银离子。
在含有100ml去离子水的烧杯中加入0.16987g的硝酸银，超声搅拌10分钟得到银离子溶液。将上一步中涂覆了多巴胺的PP膜浸入到硝酸银溶液中，保持5分钟以保证吸附了足够的银离子。然后将膜取出，用去离子水冲洗膜表面以去除多余的银离子。
在含有1L去离子水的烧杯中依次加入16g硫酸铜、50g焦磷酸钠、45ml的28％浓氨水和1.5g二甲胺基甲硼烷。超声搅拌20分钟得到均匀的铜(Cu)还原性溶液。将上一步中的PP膜浸入到Cu还原性溶液中，保持反应10min，最终得到PP-Cu复合分离膜。具体实验方法如图1所示。
为了考察复合前后膜表面的形貌变化，对膜进行了SEM测试，结果发现，PP-Cu复合分离膜表面出现了突起的颗粒结构(图2)，证明了Cu被成功的复合到PP膜表面上。
对制备的PP-Cu复合分离膜安装于带有电场调节功能的过滤装置上，过滤刚果红溶液，从低到高调节电压，通过调节电压大小以设置电场强度，并记录不同电压下对刚果红的截留率数据。测试由氮气钢瓶提供，测试压力设置为0.1兆帕。
实验结果显示，在电场为0V时，对截留率为42.86％，2V时为54.32％，7V时为65.50％，10V时为87.47％，15V时为94.12％，20V时达到99.51％。
为了观察进一步考察PP-Cu复合分离膜对刚果红截留率的敏感性，采用交替调整电场强度，交替电压分别为0V和20V，重复6个循环。结果显示，PP-Cu复合分离膜对刚果红的截留率表现出持续稳定的敏感性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.聚合物-金属复合分离膜制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将特定孔径的聚合物分离膜放置于多巴胺溶液，控制温度并保持震荡，得到多巴胺涂敷的聚合物分离膜；
将多巴胺涂敷的聚合物分离膜浸入硝酸银溶液，得到吸附银离子的聚合物分离膜；
将吸附银离子的聚合物分离膜浸入含有金属硫酸盐的还原性溶液，反应得到聚合物-金属复合分离膜。
2.如权利要求1所述的聚合物-金属复合分离膜制备方法，其特征在于，
金属硫酸盐的还原性溶液包括金属硫酸盐、二甲胺基甲硼烷、焦磷酸钠和28％浓氨水。
3.如权利要求1所述的聚合物-金属复合分离膜制备方法，其特征在于，
得到多巴胺涂敷的聚合物分离膜的步骤中，使用的聚合物分离膜的孔径为0.01～0.9微米，控制温度为25～35℃。
4.如权利要求1所述的聚合物-金属复合分离膜制备方法，其特征在于，
所述制备方法还包括位于制得多巴胺涂敷的聚合物分离膜之前的步骤：使用多巴胺和去离子水制备多巴胺溶液。
5.如权利要求1所述的聚合物-金属复合分离膜制备方法，其特征在于，
多巴胺溶液和硝酸银溶液的浓度为20:1。
6.如权利要求1所述的聚合物-金属复合分离膜制备方法，其特征在于，
制得聚合物-金属复合分离膜的步骤中，反应时间为8～15min；制得吸附银离子的聚合物分离膜的步骤中，浸入时间为5min以上。
7.如权利要求1所述的聚合物-金属复合分离膜制备方法，其特征在于，
金属为铜或镍，聚合物为聚偏氟乙烯、聚砜、聚乙烯或聚丙烯的一种。
8.如权利要求7所述的聚合物-金属复合分离膜制备方法，其特征在于，
金属为镍，聚合物为聚偏氟乙烯。
9.如权利要求1-8任意一项所述的聚合物-金属复合分离膜制备方法获得的聚合物-金属复合分离膜。
10.如权利要求1～8任一所述的制备方法制备的聚合物-金属复合分离膜在电场条件下处理印染废水的应用，所述的电场条件为0-20V。
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