CN109289548A - 一种正渗透膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种正渗透膜的制备方法。一种高效缓解正渗透膜内浓差极化的方法。本发明在支撑层中引入具有磁性的纳米材料，并通过在制膜过程中引入磁场，诱导纳米材料向膜表面迁移，从而使被包埋在支撑层内部的纳米材料迁移到表层的有效位置，只需加入极少量的纳米材料便可高效地降低正渗透膜的结构系数，大大缓解内浓差极化现象，节省了纳米材料的用量，并能大幅度降低制膜成本，有利于产业化的实现。

Description

一种正渗透膜的制备方法
技术领域
本发明属于膜分离技术领域，特别是涉及一种正渗透膜的制备方法。
背景技术
正渗透分离过程是一种新型膜分离技术，具有低能耗、低膜污染速率、回收率高、过滤范围广、无需外压等优点，在海水淡化、食品浓缩、工业废水处理、发电、药物控制释放等领域有着广阔的发展空间。但是浓差极化现象，尤其是在膜支撑层中存在的内浓差极化现象，导致膜两侧渗透压差大幅度降低，显著减少膜通量。众多研究已证实，内浓差极化是影响正渗透膜性能的最关键因素。而且由于内浓差极化发生在支撑层中，改善外部水力学状态对其影响甚微。
目前，针对正渗透膜内浓差极化现象，有效的缓解办法是通过优化支撑层来改善支撑层结构和表面性质，包括降低支撑层的厚度、增大支撑层孔径和孔隙率、采用亲水性物质制备支撑层等。其中，引入无机纳米颗粒是一种广泛使用的方法。在支撑层中共混无机纳米材料例如氧化石墨烯、纳米银、纳米二氧化钛等，不但能提高膜的亲水性和孔隙率，降低膜的结构系数从而缓解浓差极化现象，而且由于纳米材料的自身特性，还能引入抗菌、催化降解等性能。由于正渗透膜的结构系数主要由靠近支撑层表层的海绵孔层的性质结构决定，而简单的共混会使大量纳米材料被包埋在膜内部或分散在指状孔层，只有少数纳米材料分散在表层的海绵孔层，缓解内浓差极化的效率极低。另外，许多纳米材料价格昂贵，其大量分散在膜内部，增加了制膜成本。因此，需要一种新的正渗透膜制备方法，在缓解内浓差极化的基础上减少纳米材料的使用量，降低制膜成本。
发明内容
本发明的目的在于将包埋在膜内部的纳米材料在外加磁场的作用下迁移富集到支撑层表层，从而提高纳米材料的利用率。最近有研究表明，正渗透膜的结构系数主要由紧贴活性层下方的海绵孔层的结构性质决定。因此，本发明采取以下技术路线：将少量具有磁性的纳米材料与铸膜液共混，在制膜过程中引入磁场，使具有磁性的纳米材料向表面迁移，从而达到将绝大多数纳米材料富集在活性层下方的海绵孔层中，用极少量的纳米材料高效地降低了正渗透膜的结构系数，有效缓解浓差极化的发生。
为实现上述目的，所采取的技术方案：一种正渗透膜的制备方法，包括以下步骤：
一、称取一定量具有磁性的纳米材料，并将它分散于有机溶剂中，超声处理至完全分散后加入聚合物及致孔剂并在40～60℃不断加热揽拌不少于4小时，得到均匀分散的溶液，然后静置或真空脱泡12小时以上得到铸膜液。
所述的具有磁性的纳米材料包括铁纳米颗粒、钴纳米颗粒、镍纳米颗粒、四氧化三铁纳米颗粒，以及复合了铁、钴、镍、四氧化三铁的复合纳米材料。
所述的溶剂选自N-N二甲基乙酰胺、N-N二甲基甲酰胺、二甲基亚砜和N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种。
所述的聚合物选自聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚砜、聚醚砜、聚酰胺、聚苯乙烯中的一种或几种，聚合物的浓度为5～25w/w％。
所述的致孔剂选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇和氯化锂中的一种，致孔剂的用量为0.5～5w/w％。
二、将上述铸膜液置于500～10000高斯的磁场中在玻璃板上进行刮膜，并在磁场中静置1～100min后将刮制的膜在磁场作用下放入去离子水中进行凝固，待膜从玻璃板上剥离后，用水浸泡和洗涤以脱出溶剂和添加剂得到多孔聚合物支撑层。
三、对所得的多孔聚合物支撑层表面进行界面聚合、自组装或表面涂覆，得到正渗透膜的活性层，从而获得完整的正渗透膜。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
利用外加磁场将纳米材料富集在支撑层的有效部位，添加极少量具有磁性的纳米材料即可大大降低支撑层的结构系数，从而高效地降低膜的内浓差极化现象，并且大幅减少了使用纳米材料的成本。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明提供的高效缓解正渗透膜内浓差极化的方法进行详细说明。
实施例1：
一、称取0.5g四氧化三铁纳米颗粒并将它分散于含有40g DMAc溶剂的烧杯中，超声3h后，将9g聚丙烯腈及0.5g聚乙烯吡咯烷酮慢慢加入到上述溶剂中并不断揽拌；将上述烧杯置于60℃水浴中并揽拌24h，然后在真空烘箱中真空脱泡24h。
二、将上述铸膜液置于3000高斯的磁场中并在玻璃板上进行刮膜，30s后将刮制的膜在磁场作用下放入去离子水中进行凝固，待膜从玻璃板上剥离后，反复用水浸泡和洗涤以脱出溶剂和添加剂。
三、将步骤二中所得的支撑层浸渍在3w/w％间苯二胺的水溶液中，刮去多余的水分后浸渍在0.15w/w％均苯三甲酰氯的正己烷溶液中，烘干后用去离子水冲洗浸泡。
实施例2：
一、称取1g负载四氧化三铁的氧化石墨烯片并将它分散于含有84g DMAc溶剂的烧杯中，超声2h后，将15g聚偏氟乙烯1g聚乙烯吡咯烷酮慢慢加入到上述溶剂中并不断揽拌；将上述烧杯置于50℃水浴中并揽拌48h，然后静置24h脱泡。
二、将上述铸膜液置于2000高斯的磁场中并在玻璃板上进行刮膜，30s后将刮制的膜在磁场作用下放入去离子水中进行凝固，待膜从玻璃板上剥离后，反复用水浸泡和洗涤以脱出溶剂和添加剂。
三、将步骤二中所得的支撑层浸渍在2w/w％间苯二胺的水溶液中，刮去多余的水分后浸渍在0.1w/w％均苯三甲酰氯的正己烷溶液中，烘干后用去离子水冲洗浸泡。
实施例3：
一、称取0.5g包覆四氧化三铁的二氧化钛纳米颗粒并将它分散于含有41g DMAc溶剂的烧杯中，超声4h后，将8g聚醚砜及0.5g聚乙烯吡咯烷酮慢慢加入到上述溶剂中并不断揽拌；将上述烧杯置于60℃水浴中并揽拌24，然后在真空烘箱中真空脱泡24h。
二、将上述铸膜液置于4000高斯的磁场中并在玻璃板上进行刮膜，1min后将刮制的膜在磁场作用下放入去离子水中进行凝固，待膜从玻璃板上剥离后，反复用水浸泡和洗涤以脱出溶剂和添加剂。
三、将步骤二中所得的支撑层表面分别浸渍聚丙烯酸溶液和聚丙基氯化铵进行层层自组装，烘干后用去离子水冲洗浸泡。

Claims (6)

1.一种正渗透膜的制备方法，其特征在于：所述的正渗透膜是以相转化聚合物膜为支撑层，且在铸膜液中混入具有磁性的纳米材料，并在制膜过程中施加强磁场，诱导纳米材料向支撑层表层迁移。
2.根据权利要求1所述的一种正渗透膜的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤
(1)称取一定量具有磁性的纳米材料，并将它分散于有机溶剂中，超声处理至完全分散后加入聚合物及致孔剂并在40～60℃不断加热揽拌不少于4小时，得到均匀分散的溶液，然后静置或真空脱泡12小时以上得到铸膜液。
(2)将上述铸膜液置于500～10000高斯的磁场中刮涂成膜，并在磁场中静置1～100min后将刮制的膜在磁场作用下放入去离子水中进行凝固，待膜剥离后浸泡洗涤以脱出溶剂和添加剂得到多孔聚合物支撑层。
(3)对所得的多孔聚合物支撑层表面进行界面聚合、自组装或表面涂覆，得到正渗透膜的活性层，从而获得完整的正渗透膜。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述具有磁性的纳米材料包括铁纳米颗粒、钴纳米颗粒、镍纳米颗粒、四氧化三铁纳米颗粒，以及复合了铁、钴、镍、四氧化三铁的复合纳米材料。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的溶剂选自N-N二甲基乙酰胺、N-N二甲基甲酰胺、二甲基亚砜和N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的聚合物选自聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚砜、聚醚砜、聚酰胺、聚苯乙烯中的一种或几种，聚合物的浓度为5～25w/w％。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的致孔剂选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇和氯化锂中的一种，致孔剂的用量为0.5～5w/w％。
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