CN108892781A - 一种基于仿生学超滤膜的改性制备及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于仿生学超滤膜的改性制备及其应用，所述的改性超滤膜的制备方法包括强黏附性和亲水性改性剂聚多巴胺修饰壳聚糖（PDA‑CS）的制备、改性铸膜液的制备、溶剂‑非溶剂相转化成膜、超滤膜清洗，从而制得具有强黏附性和亲水性的改性超滤膜。本发明的方法制备时间短，工艺简单，并且将所制备的改性超滤膜应用于焦化废水的处理，在膜接触角以及通量恢复率（FRR）上都取得了明显的效果，因此，本发明将会在工业废水的处理方面具有很好的应用前景。

Description

一种基于仿生学超滤膜的改性制备及其应用
技术领域
本发明属于膜分离技术领域，具体涉及一种具有强黏附性和亲水性改性剂聚多巴胺修饰壳聚糖（PDA-CS）的制备方法并将其用于聚醚砜超滤膜的改性制备，以及改性后的超滤膜在焦化废水处理过程中的应用。
背景技术
水是我们人类生存和生活的基础物质，一切的生命活动都起源于水，也都依赖于水，因此水也被称为是生命之源。中国淡水资源的总量很大，同时人口基数也很大，所以中国也是严重缺水的国家。然而，随着近几十年以来人口的持续增长、工业化的进程逐步加快、经济的高速发展，生活污水以及工业废水等的排放量都有了显著的增加，所有的污水中，工业废水占了其中的很大一部分。由于许多工业废水都具有成分复杂、性质多变、排放量大、毒性大等特性而难以降解，从而导致治理起来很棘手，对环境和人类生活的危害大。因此工业废水的处理成为环保领域的一大难题，也受到了更加广泛的关注与重视。于是，各种各样的水处理技术应运而生，膜处理技术就是其中的一种，膜分离过程是一种物理过程，整个过程中不发生相变，因其操作简单，分离性能好，能耗低等诸多优点，但是膜污染问题却一直困扰着膜研究者，因此研究者对膜的亲水性进行改善，从而提高超滤膜的抗污染能力。
多巴胺是一种儿茶酚衍生物，是一种神经传导物质，由于多巴胺的粘结性，可以用多巴胺来修饰各种物质，用来改善物质的表面的性能，成为许多研究者研究的方向。壳聚糖是一类由自然界中的节肢动物外骨骼中的甲壳素经过脱乙酰化得到的多糖类物质，其生物相容性好、无毒、可生物降解，并由于分子中存在的大量羟基和氨基使得其可以赋予材料表面较好的亲水性能。因此本发明制备出了一种用聚多巴胺修饰壳聚糖的纳米颗粒亲水改性剂，其既能很好的黏附在超滤膜上，防止壳聚糖的流失，又能很好的增加超滤膜的亲水性，从而提高了超滤膜的抗污染能力。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种具有强黏附性和亲水性改性剂聚多巴胺修饰壳聚糖（PDA-CS）的制备方法并将其用于聚醚砜超滤膜的改性制备。本发明的方法不仅防止了亲水性添加剂壳聚糖的流失，而且还提高超滤膜的抗污染能力，使改性膜接触角显著降低，FRR显著增加，同时保持了较高的水通量。本发明所制备的改性超滤膜在超滤实验中具有显著的稳定性，拓宽了超滤膜分离技术的应用范围。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
本发明的第一个方面公开了一种具有强黏附性和亲水性改性剂聚多巴胺修饰壳聚糖（PDA-CS）的制备方法，
步骤一，称取一定量的壳聚糖加入装有100ml、0.1mol/L HCl溶液的锥形瓶中，放入搅拌转子，用保鲜膜封口，放入磁力搅拌油浴锅中，调节温度为30℃，搅拌6h，用0.1mol/L的Tril-HCl缓冲溶液调节pH至5.8-6，装入样品瓶，待用，即为制得的壳聚糖溶液。
步骤二，取0.5g的聚多巴胺加入装有100ml、0.1mol/L的Tril-HCl缓冲溶液的锥形瓶中，然后加入8ml步骤三所制备的壳聚糖溶液，放入搅拌转子，用保鲜膜封口，放入磁力搅拌油浴锅中，调节温度为45℃，搅拌24h，即得到聚多巴胺修饰的壳聚糖溶液。
步骤三，将步骤四得到的聚多巴胺修饰的壳聚糖溶液进行两次离心分离并用去离子水清洗，然后将所得产物放入蒸发皿中，放入真空干燥箱烘干，取出，将其研磨成粉，即得到聚多巴胺修饰壳聚糖（PDA-CS）的纳米颗粒改性剂。
本发明的第二个方面公开了一种基于仿生学的超滤膜的制备方法，包括如下步骤，
步骤一，将铸膜液原料与权利要求1中所制备的改性剂PDA-CS进行共混，并加热搅拌溶解，得到含有改性剂的铸膜液。
步骤二，将步骤一得到的含有改性剂的铸膜液倒在15×25cm的玻璃板上，然后用玻璃棒进行超滤膜的刮制；将含有膜涂层的玻璃板在室温的空气中预蒸发40s，之后浸没在30℃的凝固浴中，使玻璃板上铸膜液中的高分子聚合物进行凝胶相转化，在玻璃板表面析出成膜。
步骤三，将步骤二得到的超滤膜浸泡在去离子水中两天，并且每6h换一次水，以除去膜上残留的溶剂。
步骤四，将步骤三所得到的膜在室温下，进行膜接触角的检测，以及在一定的压力下进行超滤实验，然后进行通量恢复率（FRR）的计算。
本发明所述的一种基于仿生学的超滤膜的制备方法，采用溶剂-非溶剂相转换技术制备而成，将除去残留在膜上溶剂后进行膜的接触角的测定以及超滤实验，通过实验可知，膜的亲水改性在接触角和水通量上取得了显著的进步，并且本发明在该实验中膜的FRR值取得了显著的进步，因此该改性膜可在高浓度有机废水处理中得到很好的应用。
附图说明
图1为本发明中不同组分的PES混合铸膜液的傅里叶红外图谱
图2为超滤膜的FRR变化图
图3膜的水通量和接触角的变化图
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。
所制备的膜均是在室温和0.1MPa下用焦化废水作为测试溶液，分别测定了焦化废水通量、接触角以及通量恢复率（FRR）。
实施例1
称取0.1wt%的PDA-CS（其中CS质量浓度为1.2%）和75 g N,N-二甲基乙酰胺在锥形瓶中混合并置于超声波分散仪中超声分散1 h，待其分散均匀后加入18g的聚醚砜和7g聚乙烯吡咯烷酮并均匀混合，然后放置在水浴锅中以75℃恒温加热并磁力搅拌12h，使其充分溶解，并置于60℃的真空箱内静置脱泡4h，用以去除溶液里面的残留的气泡，即得到铸膜液。
利用平板制膜的方法进行超滤膜的制备，首先将铸膜液倒在15×25cm的玻璃板上，然后用玻璃棒进行超滤膜的刮制；将含有膜涂层的玻璃板在室温的空气中预蒸发40s，之后浸没在30℃的凝固浴中，使玻璃板上的铸膜液中的高分子聚合物进行凝胶相转化，在玻璃板表面析出成膜。
然后将超滤膜取出浸泡在去离子水中两天，并且每6h换一次水，以除去膜上残留的溶剂，得到清洗后的超滤膜，即得到实施例1的超滤膜。
将上述清洗后的超滤膜在室温下和0.1MPa的压力下进行超滤实验。
实施例1所制备的超滤膜在室温对焦化废水的通量恢复率（FRR）为83.9%，膜的水接触较为58°，水通量为304.3L/m2·h。
对比例1
将18g的聚醚砜和7g聚乙烯吡咯烷酮的加入到75g的N,N-二甲基乙酰胺溶剂中均匀混合，放置在水浴锅中以75℃恒温加热并磁力搅拌12h，使其充分溶解，然后置于60℃的真空箱内静置脱泡4h，用以去除溶液里面的残留的气泡，即得到铸膜液。
利用平板制膜的方法进行超滤膜的制备，首先将铸膜液倒在15×25cm的玻璃板上，然后用玻璃棒进行超滤膜的刮制；将含有膜涂层的玻璃板在室温的空气中预蒸发40s，之后浸没在30℃的凝固浴中，使玻璃板上的铸膜液中的高分子聚合物进行凝胶相转化，在玻璃板表面析出成膜。
然后将超滤膜取出浸泡在去离子水中两天，并且每6h换一次水，以除去膜上残留的溶剂，得到清洗后的超滤膜，即得到对比例1的超滤膜。
将上述清洗后的超滤膜在室温下和0.1MPa的压力下对预先混合了过氧化氢的焦化废水进行超滤实验。
对比例1所制备的超滤膜在室温对焦化废水的通量恢复率（FRR）为69.5%，膜的水接触较为72.4°，焦化废水通量为272.2L/m2·h。
对比例2
称取0.1wt%的CS溶液（其中CS的质量浓度为2%）和75 g N,N-二甲基乙酰胺在锥形瓶中混合并置于超声波分散仪中超声分散1 h，待其分散均匀后加入18g的聚醚砜和7g聚乙烯吡咯烷酮并均匀混合，然后放置在水浴锅中以75℃恒温加热并磁力搅拌12h，使其充分溶解，并置于60℃的真空箱内静置脱泡4h，用以去除溶液里面的残留的气泡，即得到铸膜液。
利用平板制膜的方法进行超滤膜的制备，首先将铸膜液倒在15×25cm的玻璃板上，然后用玻璃棒进行超滤膜的刮制；将含有膜涂层的玻璃板在室温的空气中预蒸发40s，之后浸没在30℃的凝固浴中，使玻璃板上的铸膜液中的高分子聚合物进行凝胶相转化，在玻璃板表面析出成膜。
然后将超滤膜取出浸泡在去离子水中两天，并且每6h换一次水，以除去膜上残留的溶剂，得到清洗后的超滤膜，即得到对比例2的超滤膜。
将上述清洗后的超滤膜在室温下和0.1MPa的压力下进行超滤实验。
对比例2所制备的超滤膜在在室温对焦化废水的通量恢复率（FRR）为82.6%，膜的水接触较为51°，水通量为419.4L/m2·h。
实施例2
称取0.1wt%的PDA-CS（其中CS质量浓度为1.6%）和75 g N,N-二甲基乙酰胺在锥形瓶中混合并置于超声波分散仪中超声分散1 h，待其分散均匀后加入18g的聚醚砜和7g聚乙烯吡咯烷酮并均匀混合，然后放置在水浴锅中以75℃恒温加热并磁力搅拌12h，使其充分溶解，并置于60℃的真空箱内静置脱泡4h，用以去除溶液里面的残留的气泡，即得到铸膜液。
利用平板制膜的方法进行超滤膜的制备，首先将铸膜液倒在15×25cm的玻璃板上，然后用玻璃棒进行超滤膜的刮制；将含有膜涂层的玻璃板在室温的空气中预蒸发40s，之后浸没在30℃的凝固浴中，使玻璃板上的铸膜液中的高分子聚合物进行凝胶相转化，在玻璃板表面析出成膜。
然后将超滤膜取出浸泡在去离子水中两天，并且每6h换一次水，以除去膜上残留的溶剂，得到清洗后的超滤膜，即得到实施例2的超滤膜。
将上述清洗后的超滤膜在室温下和0.1MPa的压力下进行超滤实验。
实施例2所制备的超滤膜在在室温对焦化废水的通量恢复率（FRR）为85.1%，膜的水接触较为46°，水通量为333L/m2·h。
实施例3
称取0.1wt%的PDA-CS（其中CS质量浓度为2.0%）和75 g N,N-二甲基乙酰胺在锥形瓶中混合并置于超声波分散仪中超声分散1 h，待其分散均匀后加入18g的聚醚砜和7g聚乙烯吡咯烷酮并均匀混合，然后放置在水浴锅中以75℃恒温加热并磁力搅拌12h，使其充分溶解，并置于60℃的真空箱内静置脱泡4h，用以去除溶液里面的残留的气泡，即得到铸膜液。
利用平板制膜的方法进行超滤膜的制备，首先将铸膜液倒在15×25cm的玻璃板上，然后用玻璃棒进行超滤膜的刮制；将含有膜涂层的玻璃板在室温的空气中预蒸发40s，之后浸没在30℃的凝固浴中，使玻璃板上的铸膜液中的高分子聚合物进行凝胶相转化，在玻璃板表面析出成膜。
然后将超滤膜取出浸泡在去离子水中两天，并且每6h换一次水，以除去膜上残留的溶剂，得到清洗后的超滤膜，即得到实施例3的超滤膜。
将上述清洗后的超滤膜在室温下和0.1MPa的压力下进行超滤实验。
实施例3所制备的超滤膜在在室温对焦化废水的通量恢复率（FRR）为96.3%，膜的水接触较为38°，焦化废水通量为437.5L/m2·h。
实施例4
称取0.1wt%的PDA-CS（其中CS质量浓度为2.4%）和75 g N,N-二甲基乙酰胺在锥形瓶中混合并置于超声波分散仪中超声分散1 h，待其分散均匀后加入18g的聚醚砜和7g聚乙烯吡咯烷酮并均匀混合，然后放置在水浴锅中以75℃恒温加热并磁力搅拌12h，使其充分溶解，并置于60℃的真空箱内静置脱泡4h，用以去除溶液里面的残留的气泡，即得到铸膜液。
利用平板制膜的方法进行超滤膜的制备，首先将铸膜液倒在15×25cm的玻璃板上，然后用玻璃棒进行超滤膜的刮制；将含有膜涂层的玻璃板在室温的空气中预蒸发40s，之后浸没在30℃的凝固浴中，使玻璃板上的铸膜液中的高分子聚合物进行凝胶相转化，在玻璃板表面析出成膜。
然后将超滤膜取出浸泡在去离子水中两天，并且每6h换一次水，以除去膜上残留的溶剂，得到清洗后的超滤膜，即得到实施例4的超滤膜。
将上述清洗后的超滤膜在室温下和0.1MPa的压力下进行超滤实验。
实施例4所制备的超滤膜在室温对焦化废水的通量恢复率（FRR）为88.4%，膜的水接触较为44°，焦化废水通量为404.4L/m2·h。
将以上实施例1、实施例2、实施例3、实施例4制备的添加不同含量的CS的PDA-CS改性剂的超滤膜与对比例1中未加改性剂的超滤膜和对比例2只添加了CS的超滤膜进行比较，由图1可以看出，PDA成功的修饰了CS，由图2，3可知，随着PDA-CS改性剂中CS含量的增加，超滤膜的接触角在不断的降低，膜的水通量也在不断地增加，当CS的含量为2.0wt%时，膜的接触角达到了最低值38°，其水通量达到了最大值437.5L/m2·h，并且此时膜具有最好的FRR值，为96.3%，通过综合评价可知膜M4的综合性能是最佳的。

Claims (8)

1.一种具有强黏附性和亲水性改性剂聚多巴胺修饰壳聚糖（PDA-CS）的制备方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤一，称取一定量的壳聚糖加入装有100ml、0.1mol/L HCl溶液的锥形瓶中，放入搅拌转子，用保鲜膜封口，放入磁力搅拌油浴锅中，调节温度为30℃，搅拌6h，用0.1mol/L的Tril-HCl缓冲溶液调节pH至5.8-6，装入样品瓶，待用，即为制得的壳聚糖溶液。
步骤二，取0.5g的聚多巴胺加入装有100ml、0.1mol/L的Tril-HCl缓冲溶液的锥形瓶中，然后加入8ml步骤三所制备的壳聚糖溶液，放入搅拌转子，用保鲜膜封口，放入磁力搅拌油浴锅中，调节温度为45℃，搅拌24h，即得到聚多巴胺修饰的壳聚糖溶液。
步骤三，将步骤四得到的聚多巴胺修饰的壳聚糖溶液进行两次离心分离并用去离子水清洗，然后将所得产物放入蒸发皿中，放入真空干燥箱烘干，取出，将其研磨成粉，即得到聚多巴胺修饰壳聚糖（PDA-CS）的纳米颗粒改性剂。
2.根据权利要求1所述的一种具有强黏附性和亲水性改性剂聚多巴胺修饰壳聚糖（PDA-CS）的制备方法其特征在于，步骤一所述的多巴胺在Tril-HCl缓冲溶液中搅拌24h，是因为多巴胺在弱碱性环境中能够氧化自聚形成聚多巴胺。
3.根据权利要求1所述的一种具有强黏附性和亲水性改性剂聚多巴胺修饰壳聚糖（PDA-CS）的制备方法其特征在于，步骤一所述的调节pH至5.8-6，是指壳聚糖需要在酸性条件下才能溶解，若将强酸条件下制得的壳聚糖溶液加入到多巴胺溶液中，将会影响多巴胺的自聚。
4.一种基于仿生学的超滤膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤一，将铸膜液原料与权利要求1中所制备的改性剂PDA-CS进行共混，并加热搅拌溶解，得到含有改性剂的铸膜液。
步骤二，将步骤一得到的含有改性剂的铸膜液倒在15×25cm的玻璃板上，然后用玻璃棒进行超滤膜的刮制；将含有膜涂层的玻璃板在室温的空气中预蒸发40s，之后浸没在30℃的凝固浴中，使玻璃板上铸膜液中的高分子聚合物进行凝胶相转化，在玻璃板表面析出成膜。
步骤三，将步骤二得到的超滤膜浸泡在去离子水中两天，并且每6h换一次水，以除去膜上残留的溶剂。
步骤四，将步骤三所得到的膜在室温下，进行膜接触角的检测，以及在一定的压力下进行超滤实验，然后进行通量恢复率（FRR）的计算。
5.根据权利要求4所述的一种基于仿生学超滤膜的改性制备方法，其特征在于，步骤一中所述的铸膜液的原料包括，以质量分数记，18%的高分子聚合物、7%的致孔剂和75%的溶剂；
优选所述的铸膜液的加热搅拌温度为75℃；
优选所述的铸膜液中的高分子聚合物为聚醚砜（PES），聚偏氟乙烯（PVDF）;
优选所述的铸膜液中的致孔剂为聚乙烯吡咯烷酮（PVP）；
优选所述的铸膜液中的溶剂为N,N-二甲基乙酰胺（DMAc），N,N-二甲基甲酰胺（DMF）。
6.根据权利要求4所述的一种基于仿生学超滤膜的改性制备方法，其特征在于，步骤二所述的凝固浴为去离子水，其温度应控制在30℃。
7.根据权利要求4所述的一种具有过滤性和降解能力的新型功能超滤膜的制备方法，其特征在于，步骤四所述的膜接触角的的检测采用静滴接触角测量仪测定。
8.根据权利要求4所述的一种基于仿生学超滤膜的改性制备方法，其特征在于，步骤四所述的一定压力进行超滤实验，首先在0.1MPa的压力下进行去离子水的超滤实验1h，然后换成焦化废水在0.1MPa的压力下进行超滤实验2h，然后将受污染的膜在去离子水中进行浸泡清洗两天，且每8h换一次去离子水。
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