CN109200823A - 一种聚乙烯亚胺修饰的原生态荷正电纳滤膜的制备方法和应用 - Google Patents
一种聚乙烯亚胺修饰的原生态荷正电纳滤膜的制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种聚乙烯亚胺修饰的原生态荷正电纳滤膜的制备方法和应用。所述的制备方法按照如下步骤进行:(1)使用超滤膜作为支撑膜,以哌嗪与二氨基二丙基胺的混合水溶液为水相、均苯三甲酰氯的正己烷溶液为有机相,通过界面聚合法在支撑膜上形成活性分离层,制得原生态聚酰胺纳滤膜;(2)将活性剂2‑氯‑1‑甲基碘代吡啶、氢氧化钠及聚乙烯亚胺混合溶入去离子水中,得到接枝水溶液;(3)将接枝水溶液倒入步骤(1)得到的原生态聚酰胺纳滤膜表面进行接枝反应,然后去除表面多余溶液,水洗,烘干,得到荷正电纳滤膜。本发明提供了所述荷正电纳滤膜在染料、有毒金属离子、一二价阳离子脱除中的应用,具有良好的截留率和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于纳滤膜制备技术领域,具体涉及一种荷正电纳滤膜的制备方法及其在染料、有毒金属离子、一二价阳离子脱除中的应用。
背景技术
纳滤膜是膜孔经尺寸在1~2nm左右的压力驱动膜,分子量的截留在200~1000之间,有着压力低,能耗少,分离效率高等优异的特性,对于一二价具有较好的筛分效应。纳滤膜被广泛应用在石油化工、制药、环保、食品、能源、电子、海水淡化、医疗保健等方面。
但目前较成熟的纳滤膜对二价阴离子及单价离子有较好的筛分效应。特别的随着现代工业重工业的大力发展,水环境的污染变得越来越严重,尤其工业排出的有毒重金属离子及燃料对新鲜水资源的污染是不可逆转的。而大多数的金属离子含有多价阳离子,目前较成熟的纳滤膜并不能去除这些污染物,考虑到电荷排斥效应,故制备一种荷正电纳滤膜是我们迫切所需要的。
而大多数纳滤膜是通过界面聚合而成,通常由两种不混溶的水相及有机相在在支撑膜(超滤膜)形成超薄的分离层,水相一般由聚合胺,多元醇和多元酚形组成,有机相一般由酰氯溶解在有机相中组成。而这样形成的复合薄膜通常含有大量的未反应的酰氯集团及水解的羧酸基团,因此膜表面表现出荷负电性。这种荷负电的纳滤膜对多价阴离子(SO4 2-CO3 3-PO43-)有较好的去除率。
而根据前人所研究内容,制备得到荷正电纳滤膜对多价阳离子的截留会有所提高,如使用大分子阳离子聚合物聚乙烯亚胺(PEI)作为水相,与均苯三甲酰氯(TMC)有机相在超滤膜上界面聚合形成荷正电纳滤膜,其所制的膜对多价阳离子确有所提高,但在界面成膜过程中水相中胺单体的扩散被表面的油相所限制,这极大的消弱了膜面的荷正电性。结果反而使过量的未反应的酰氯集团和酰胺水解的羧酸聚集在膜表面,促使负电荷活性层的形成。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种简单、方便操作、室温下便可反应的荷正电纳滤膜的制备方法,以提高膜对一二价阳离子尤其是二价阳离子、有毒金属离子和染料的截留率,同时增加其稳定性。
本发明的另一目的是提供制得的荷正电纳滤膜在染料、一二价金属盐、有毒金属离子脱除中的应用。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一方面,本发明提供了一种荷正电纳滤膜的制备方法,按照如下步骤进行:
(1)使用超滤膜作为支撑膜,以哌嗪与二氨基二丙基胺的混合水溶液为水相、均苯三甲酰氯的正己烷溶液为有机相,通过界面聚合法在支撑膜上形成活性分离层,制得原生态聚酰胺纳滤膜;
(2)将活性剂2-氯-1-甲基碘代吡啶(CMPI)、氢氧化钠及聚乙烯亚胺(PEI)混合溶入去离子水中,得到接枝水溶液,其中2-氯-甲基碘代吡啶、氢氧化钠、聚乙烯亚胺的质量浓度分别为0.01~0.05%、0.01~0.05%、0.1~1%;
(3)将步骤(2)配好的接枝水溶液倒入步骤(1)得到的原生态聚酰胺纳滤膜表面进行接枝反应,然后去除表面多余溶液,水洗,烘干,得到荷正电纳滤膜。制得的荷正电纳滤膜泡于去离子水中待用。
进一步,所用超滤膜的截留分子量为20000~100000,优选为20000。
更进一步,所述的超滤膜的材料为聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚丙烯中的一种。
进一步,所述步骤(1)按照如下实施:将超滤膜先在纯水中浸泡、晾干,然后取出固定住,首先将配好的哌嗪和二氨基二丙基胺的混合水溶液倒在超滤膜表面,水相反应一定时间后将混合水溶液倒掉并用纯水冲洗膜表面,晾干;随后将配好的均苯三甲酰氯的正己烷溶液倾倒在膜表面,界面聚合反应完成后将溶液倒掉并用正己烷冲洗膜表面,晾干,得到初始原生态纳滤膜。
更进一步,超滤膜在纯水中浸泡时间为12~36小时,优选24小时。
更进一步,所述哌嗪与二氨基二丙基胺的混合水溶液中,哌嗪质量浓度为0.9-1.2%(优选0.9%),二氨基二丙基胺质量浓度为0.3-0.6%(优选0.3%);所述均苯三甲酰氯的正己烷溶液的质量浓度为0.1-0.2%(优选0.1%)。
更进一步,水相反应时间为5-10min,界面聚合反应时间30-60s。
进一步,所述的聚乙烯亚胺的分子量为600-18000,优选其分子量为10000。
进一步,所述接枝水溶液中,2-氯-甲基碘代吡啶、氢氧化钠、聚乙烯亚胺的质量浓度分别为0.03%、0.03%、0.1~1%。
进一步,步骤(3)中,接枝反应时间为5-15min。
进一步,步骤(3)中,烘干条件为:烘干温度为50-70℃(优选60℃),时间为5-15min(优选10min)。
另一方面,本发明提供了所述荷正电纳滤膜在染料脱除中的应用。
进一步,所述的染料为金莲橙、维多利亚蓝B、半二甲酚橙或中性红。
第三方面,本发明提供了所述荷正电纳滤膜在水中有毒金属离子去除中的应用。
进一步,所述的有毒金属离子为Cu2+、Ni2+、Cr3+中的一种或几种。
第四方面,本发明提供了所述荷正电纳滤膜在一二价金属盐脱除中的应用。
进一步,所述的一二价金属盐选自下列之一或几种:MgCl2、CaCl2、Na2SO4、NaCl、LiCl。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:本发明先使用哌嗪与二氨基二丙基胺为水相,均苯三甲酰氯的正己烷溶液为有机相,通过界面聚合法制备出原生态聚酰胺纳滤膜,然后使用活性剂CMPI使原生态膜表面的多余酰氯基及羧酸基与聚乙烯亚胺反应,使聚乙烯亚胺以共价键的形式接枝在膜表面,使其形成荷正电纳滤膜,提高了对一二价阳离子、有毒金属离子和染料的截留率,增加了其稳定性,显示出对水污染的处理应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例6中膜的红外分析图,其中A:基膜超滤膜(PSF)的红外分析,B:界面聚合后原生态纳滤膜,C:接枝后荷正电纳滤膜;
图2是不同pH范围下膜面电荷zeta电位图,其中TFC:界面聚合后原生态纳滤膜;DPC-TFC:接枝后荷正电纳滤膜;
图3是实施例6的荷正电纳滤膜对有毒金属离子的的截留及通量;
图4是界面聚合原生态纳滤膜(TFC)与荷正电纳滤膜(DPC-TFC)对一二价盐分离效果图;
图5是荷正电纳滤膜对不同染料的截留率图。
具体实施方式
下面对本发明的优选实例进行详细阐述,以使本发明的内容特点易于被本领域的的研究人员理解,并非用于限定本发明的范围。
实施例1
称取0.9g哌嗪及0.3g的二氨基二丙基胺溶解在100ml去离子水中,磁力搅拌充分溶解后得到水相溶液待用;称取0.2g的均苯三甲酰氯溶解在200ml的正己烷中,放入磁子,在磁力搅拌器上充分搅拌使其完全溶解,得到有机相溶液待用;称取0.01g 2-氯1-甲基碘代吡啶(CMPI)、0.01g氢氧化钠及0.1g的聚乙烯亚胺(PEI)(分子量10000)溶于100ml去离子水中,使用磁力搅拌,得到接枝水溶液待用。
将超滤膜先在纯水中浸泡,晾干。然后将超滤基膜(聚醚砜,截留分子量30000道尔顿)用20cm×20cm的聚四氟乙烯框架固定住,首先将配好的哌嗪及二氨基二丙基胺的混合水溶液倒在膜表面,5min将水相溶液倒掉并用纯水冲洗膜表面,晾干。随后将配好的均苯三甲酰氯正己烷溶液倾倒在膜表面,1min后将溶液倒掉并用正己烷冲洗膜表面,晾干,得到初始原生态纳滤膜,后等3min后将配好的接枝水溶液倒入膜表面,10min后将多余的溶液倒掉,用去离子水进行冲洗膜表面,晾干,将膜放在60℃的烘箱中后处理10min。得到高选择性的荷正电纳滤膜。
实施例2
将上述实例1中接枝水溶液中2-氯-1-甲基碘代吡啶及氢氧化钠的浓度改为0.03wt%,其他步骤和条件不变。
实施例3
将上述实例2中接枝水溶液中的聚乙烯亚胺浓度改为0.5wt%,其他步骤和条件不变。
实施例4
将实例3中接枝水溶液中的聚乙烯亚胺浓度改为0.7wt%,其他步骤和条件不变。
实施例5
将上述实例3中接枝水溶液中的聚乙烯亚胺的浓度改为1.0wt%,其他步骤和条件不变。
实施例6
称取0.9g哌嗪及0.3g的二氨基二丙基胺溶解在100ml去离子水中,磁力搅拌充分溶解后得到水相溶液待用;称取0.2g的均苯三甲酰氯溶解在100ml的正己烷中,放入磁子,在磁力搅拌器上充分搅拌使其完全溶解,得到有机相溶液待用;称取0.03g 2-1-甲基碘代吡啶(CMPI)、0.03g氢氧化钠及1.0g的聚乙烯亚胺(PEI)溶于100ml去离子水中,使用磁力搅拌,得到接枝水溶液待用。
将超滤基膜用20cm×20cm的聚四氟乙烯框架固定住,首先将配好的哌嗪及二氨基二丙基胺的水溶液倒在膜表面,5min将水相溶液倒掉并用纯水冲洗膜表面,晾干。随后将配好的均苯三甲酰氯正己烷溶液倾倒在膜表面,1min后将溶液倒掉并用正己烷冲洗膜表面,晾干,得到初始原生态纳滤膜,后等3min后将配好的接枝水溶液倒入膜表面,10min后将多余的溶液倒掉,用去离子水进行冲洗膜表面,晾干,将膜放在50℃的烘箱中后处理10min。得到高选择性的荷正电纳滤膜。
图1中显示的是傅里叶红外光谱分析(RTIR)图,图中展现了实施例6中的基膜PSF(A)、界面聚合后原生态纳滤膜(B)及接枝后荷正电纳滤膜(C)。在波长1650cm-1及3400cm-1处即阴影部分分别代表酰胺基团和-N-H基团,即表明经过界面聚合后成功制备出具有聚酰胺官能团的纳滤膜。由于接枝后未加入新型的官能团,故B与C膜无明显区别。
图2中Zeta电位是用于表征实施例6制备的膜表面带电性能的重要变量。如图中所示,在不同pH下原生态纳滤膜(TFC)和荷正电纳滤膜(DPC-TFC)的带电荷情况,从图中明显看出接枝后的纳滤膜(DPC-TFC)的荷正电性明显高于原生态纳滤膜(TFC)的电荷型。表明我们成功制备出荷正电纳滤膜。
图3中显示了实施例6制备的荷正电纳滤膜对于水中有毒金属离子的去除率情况,如图所示膜对不同金属离子的截留率为:CuCl296%,NiCl295.8%,CrCl398.0%。表现出较高的截留率。
图4显示了实施例6制备的纳滤膜多不同一二价盐的分离效果,图中使用了接枝后的荷正电纳滤膜与原生态纳滤膜的比较,从图中看出看出经接枝后的荷正电纳滤膜对二价阳离子Mg2+、Ca2+明显增高,分别达到96.8%,97%。由于电荷的排斥效应,而对于二价阴离子的SO4 2-的截留明显降低,从原来的94%降低到87.6%,而对单价离子的截留也有所增高,因接枝后膜表面的密度增加。总体来讲制备出的荷正电纳滤膜是对不同价态盐的分离具有较好的效果。
图5中显示实施例6制备的荷正电纳滤膜对不同染料的去除率,如图显示荷正电纳滤膜对染料的截留率依次是金莲橙98.3%,维多利亚B 99.2%,半二甲酚橙99%,,中性红98.2%。此膜表现出较好的的去除率,具有对水污染去除的应用前景。
Claims (10)
1.一种荷正电纳滤膜的制备方法,按照如下步骤进行:
(1)使用超滤膜作为支撑膜,以哌嗪与二氨基二丙基胺的混合水溶液为水相、均苯三甲酰氯的正己烷溶液为有机相,通过界面聚合法在支撑膜上形成活性分离层,制得原生态聚酰胺纳滤膜;
(2)将活性剂2-氯-1-甲基碘代吡啶、氢氧化钠及聚乙烯亚胺混合溶入去离子水中,得到接枝水溶液,其中2-氯-甲基碘代吡啶、氢氧化钠、聚乙烯亚胺的质量浓度分别为0.01~0.05%、0.01~0.05%、0.1~1%;
(3)将步骤(2)配好的接枝水溶液倒入步骤(1)得到的原生态聚酰胺纳滤膜表面进行接枝反应,然后去除表面多余溶液,水洗,烘干,得到荷正电纳滤膜。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述超滤膜的截留分子量为20000~100000,所述的超滤膜的材料为聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚丙烯中的一种;所述的聚乙烯亚胺的分子量为600-18000。
3.如权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)按照如下实施:将超滤膜先在纯水中浸泡、晾干,然后取出固定住,首先将配好的哌嗪和二氨基二丙基胺的混合水溶液倒在超滤膜表面,水相反应一定时间后将混合水溶液倒掉并用纯水冲洗膜表面,晾干;随后将配好的均苯三甲酰氯的正己烷溶液倾倒在膜表面,界面聚合反应完成后将溶液倒掉并用正己烷冲洗膜表面,晾干,得到初始原生态纳滤膜。
4.如权利要求3所述的制备方法,其特征在于:超滤膜在纯水中浸泡时间为12~36小时。
5.如权利要求3所述的制备方法,其特征在于:所述哌嗪与二氨基二丙基胺的混合水溶液中,哌嗪质量浓度为0.9-1.2%,二氨基二丙基胺质量浓度为0.3-0.6%;所述均苯三甲酰氯的正己烷溶液的质量浓度为0.1-0.2%。
6.如权利要求3所述的制备方法,其特征在于:水相反应时间为5-10min,界面聚合反应时间30-60s。
7.如权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于:步骤(3)中,接枝反应时间为5-15min。
8.如权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于:步骤(3)中,烘干条件为:烘干温度为50-70℃,时间为5-15min。
9.如权利要求1所述的荷正电纳滤膜在染料脱除中或者在水中有毒金属离子去除中或者在一二价金属盐脱除中的应用。
10.如权利要求9所述的应用,其特征在于:所述的染料为金莲橙、维多利亚蓝B、半二甲酚橙或中性红;
所述的有毒金属离子为Cu2+、Ni2+、Cr3+中的一种或几种;
所述的一二价金属盐选自下列之一或几种:MgCl2、CaCl2、Na2SO4、NaCl、LiCl。
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