CN109395592A - 一种花粉硅负载纳米银改性分离膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种花粉硅负载纳米银改性分离膜及其制备方法,属于聚合物分离膜制备技术领域。本发明首先合成了具有形貌特殊的二氧化硅‑花粉硅,然后通过表面硅‑氧‑银的键合在花粉硅表面负载纳米银颗粒,最后通过浸没沉淀相转化法与聚合物膜材料复合制备出花粉硅负载纳米银改性分离膜。本发明制备方法简单,制备得到的花粉硅负载纳米银改性分离膜表面负载的银离子的量大大提高,抗菌能力提高,抗菌性能持久。

Description

一种花粉硅负载纳米银改性分离膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种分离膜及其制备方法,具体涉及一种花粉硅负载纳米银改性分离膜及其制备方法,属于聚合物分离膜制备技术领域。
背景技术
膜分离技术作为高效环保的分离技术,已被广泛的应用于水和污水处理领域中,针对膜分离技术中膜材料污染的问题,单一膜材料已不能满足实际应用要求,亟需研发高效稳定的抗菌抗污染性能的膜材料,其中,通过对现有膜材料进行改性以提升聚合物分离膜的抗菌抗污染性能已成为膜制备领域的热点。
纳米银作为一种高效的杀菌剂,是理想的抗菌改性材料。目前已有大量关于纳米银改性高分子膜的相关报道。如公号号为CN105771688A的发明专利公开了一种纳米银@聚偏氟乙烯抑菌分离膜及制备方法,首先将成孔剂、纳米银、无机纳米颗粒、聚偏氟乙烯和有机溶剂混合制成铸膜液,然后通过非溶剂致相分离法制成纳米银聚偏氟乙烯抑菌分离膜。虽然银的添加提高了分离膜的抗菌和抗污染能力,但通过共混方法制得的分离膜表面的纳米银的负载量有限,抗菌效率不高,且纳米银易在膜中发生团聚从而影响抗菌效率,此外,银离子在水环境中释放速率难以控制,银离子很快即会释放完毕,分离膜无法长期保持高效抑菌效率,使用寿命较短。
发明内容
针对现有技术中的问题,本发明提供一种花粉硅负载纳米银改性分离膜及其制备方法。本发明制备方法简单,本发明制备得到的花粉硅负载纳米银改性分离膜表面负载的银离子的量大大提高,抗菌能力提高,此外,复合膜能有效控制银离子的释放,抗菌性能更持久。
为实现以上技术目的,本发明的技术方案是:
一种花粉硅负载纳米银改性分离膜的制备方法,主要包括以下步骤:
(1)花粉硅的制备:将对乙醇水溶液0.1~0.3wt.%的间二苯酚和对乙醇水溶液0.15~0.35wt.%的甲醛溶于乙醇水溶液中,在对乙醇水溶液1~3wt.%的氨水的催化下搅拌2~12h形成球型酚醛树脂;然后将对乙醇水溶液0.5~1wt.%的硅源加入至酚醛树脂中,搅拌5~15min后再次加入对乙醇水溶液0.3~0.7wt.%的间二苯酚和0.4~0.75wt.%的甲醛,反应1~3h经离心、清洗、烘干后空气氛围下500~600℃灼烧3~7h,获得花粉硅;
(2)花粉硅载银复合体的制备:将花粉硅溶于水形成均匀溶液,在氨水的催化下与硝酸银反应18~30h,产物经离心、水洗、烘干后得花粉硅载银复合体;
(3)花粉硅载银改性分离膜的制备:将对凝固浴0.01~0.04wt.%的花粉硅载银复合体加入至凝固浴中后超声分散均匀,然后将聚合物液膜浸入该凝固浴中凝固成型,经清水冲洗后得花粉硅载银改性分离膜。
作为优选方案,步骤(1)中所述的硅源为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、六甲基二硅氧烷中的任意一种。
作为优选方案,步骤(2)中所述的花粉硅与水的质量比为1∶(55~75),所述硝酸银对花粉硅水溶液的质量分数为0.65~0.85wt.%。
作为优选方案,步骤(3)中所述的聚合物液膜在空气中预蒸发30~40s后再浸入凝固浴中。
作为优选方案,步骤(3)中所述的聚合物液膜的制备方法为:将成膜聚合物、成孔剂和有机溶剂混合,在75~85℃下搅拌至完全溶解后,室温下真空脱泡15~60min得到均一稳定的铸膜液,将铸膜液刮制平板膜得所述聚合物液膜。
作为优选方案,所述铸膜液的组成为:每100重量份的花粉硅载银改性分离膜中含有8~20重量份的成膜聚合物,5~8重量份的成孔剂,余量为有机溶剂。
作为优选方案,步骤(1)中所述的成膜聚合物为聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚砜或聚丙烯腈中的一种或几种混合物。
作为优选方案,步骤(1)中所述的成孔剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇或聚醋酸乙烯酯中的一种或几种混合物。
作为优选方案,步骤(1)中所述的有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺或二甲基亚砜中的一种或几种混合物。
根据上述制备方法得到的花粉硅负载纳米银改性分离膜。
本发明的有益效果在于:
(1)本发明首先设计合成了一种形貌特殊的二氧化硅-花粉硅,然后通过表面硅-氧-银的键合,成功在花粉硅表面负载纳米银颗粒,最后通过浸没沉淀相转化法与聚合物膜材料复合制备出花粉硅负载纳米银改性分离膜。本发明制备方法简单,易于操作,可控性好,容易工业化实施。本发明制备得到的花粉硅负载纳米银改性分离膜上的纳米银均匀分布,对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等微生物具有明显的抑制和杀灭作用,能显著改善膜的抗菌能力和抗污染能力,延长膜的使用寿命;相比现有技术中的银改性分离膜及同等条件下的球型硅载银改性分离膜,本发明膜表面的纳米银的负载量显著提升,纳米银的释放速率显著降低,抗菌性能更高效持久。
(2)本发明制备的花粉硅负载纳米银改性分离膜依靠花粉硅特殊的表面形貌可以显著提升膜表面的纳米银的负载量,有效控制银离子的释放速率,延长复合膜的使用寿命;其中,花粉硅的比表面积大、空隙多,更多的活性位点(如-OH、-O-)可以通过配位键与银离子配位,一方面使得更多的纳米银被负载到膜材料上,提高分离膜的抗菌能力,另一方面,还能阻碍更多的银离子由化学束缚状态迅速转入自由离子状态,从而延缓银离子的释放速率,延长分离膜的使用寿命;此外,利用酚醛树脂的合成及灼烧去除在花粉硅表面形成的花粉刺,一方面能够增加纳米银在花粉硅上的负载深度,延缓纳米银的释放速率,延长分离膜的使用寿命,另一方面还能够穿透细胞膜,影响细菌细胞的活性,有利于提高分离膜的抗菌抗污染能力。
(3)本发明制备的花粉硅负载纳米银改性分离膜依靠花粉硅对膜面细菌的粘附作用,可以提升细胞膜附近银离子的浓度并使银离子精准释放入细胞膜中,进一步强化分离膜的抗菌抗污染性能。
附图说明
图1是MC膜、M-SP-Ag膜、M-PO-Ag膜的表面SEM图;
图2是M-PO-Ag膜和M-SP-Ag膜的银离子释放速率图;
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明进行具体描述,但本发明的保护范围并不仅限于此。
对比例1:
未经改性的聚偏氟乙烯膜的制备:取18g聚偏氟乙烯粉末、5g聚乙烯醇溶解于100mL二甲亚砜中,在80℃下充分搅拌,直至聚偏氟乙烯和成孔剂完全溶解,室温真空脱泡30min后得到均一稳定的铸膜液。将铸膜液倒在玻璃板上,用刮刀均匀地刮制成厚度约为250μm的平板膜,平板膜在空气中(24~26℃,相对湿度25~35℃)预蒸发30~40s后,室温下放入去离子水中,凝固成型,待膜从玻璃板上自行脱落后,即可得到未经改性的聚偏氟乙烯膜(记为MC)。MC膜的表面形貌如图1所示。
对比例2:
球型硅负载银改性的聚偏氟乙烯膜的制备:
(1)将0.2wt.%的间二苯酚和0.25wt.%的甲醛溶于乙醇水溶液中,在氨水的催化下搅拌6h形成球型酚醛树脂,其中,氨水的质量分数为28%,氨水用量为乙醇水溶液的2wt.%;将0.8wt.%的正硅酸乙酯加入至酚醛树脂中反应2h,经离心、清洗、烘干后空气氛围下550℃灼烧5h获得球型硅;
(2)将球型硅溶于水中(球型硅与水的质量比为1:66)溶液,在氨水的催化下与0.75wt.%的硝酸银反应24h,产物经离心、水洗烘干后获得球型硅载银复合体;
(3)将对去离子水质量分数为0.02wt.%的球型硅载银复合体均匀分散于去离子水中得含有球型硅载银复合体的去离子水;
(4)取18g聚偏氟乙烯粉末、5g聚乙烯醇溶解于100mL二甲亚砜中,在80℃下充分搅拌,直至聚偏氟乙烯和成孔剂完全溶解,室温真空脱泡30min后得到均一稳定的铸膜液;
(5)将步骤(4)中得到的铸膜液倒在玻璃板上,用刮刀均匀地刮制成厚度约为250μm的平板膜,平板膜在空气中(24~26℃,相对湿度25~35℃)预蒸发30~40s后,室温下放入步骤(3)中含有球型硅载银复合体的去离子水中,凝固成型,待膜从玻璃板上自行脱落后,即可得到经球型硅载银复合体改性的聚偏氟乙烯膜(记为M-SP-Ag)。M-SP-Ag膜的表面形貌如图1所示。
实施例1:
花粉硅负载银改性的聚偏氟乙烯膜的制备:
(1)将对乙醇水溶液0.2wt.%的间二苯酚和0.25wt.%的甲醛溶于乙醇水溶液中,在氨水的催化下搅拌6h形成球型酚醛树脂,其中,氨水的质量分数为28%,氨水用量为乙醇水溶液的2wt.%;将对乙醇水溶液0.8wt.%的正硅酸乙酯加入至酚醛树脂中,8min后再次加入对乙醇水溶液0.5wt.%的间二苯酚和0.62wt.%的甲醛,反应2h经离心、清洗、烘干后空气氛围下550℃灼烧5h,获得花粉硅;
(2)将花粉硅溶于水中(花粉硅与水的质量比为1∶66)溶液,在氨水的催化下与对花粉硅水溶液0.75wt.%的硝酸银反应24h,产物经离心、水洗烘干后获得球型硅载银复合体;
(3)将对去离子水0.02wt.%的花粉硅载银复合体均匀分散于去离子水中得含有花粉硅载银复合体的去离子水;
(4)取18g聚偏氟乙烯粉末、5g聚乙烯醇溶解于100mL二甲亚砜中,在80℃下充分搅拌,直至聚偏氟乙烯和聚乙烯醇完全溶解,室温真空脱泡30min后得到均一稳定的铸膜液;
(5)将步骤(4)中得到的铸膜液倒在玻璃板上,用刮刀均匀地刮制成厚度约为250μm的平板膜,平板膜在空气中(24~26℃,相对湿度25~35℃)预蒸发30~40s后,室温下放入含有花粉硅载银复合体的去离子水中,凝固成型,待膜从玻璃板上自行脱落后,得到100g经花粉硅载银复合体改性的聚偏氟乙烯膜(记为M-PO-Ag)。M-PO-Ag膜的表面形貌如图1所示。
实施例2:
花粉硅负载银改性的聚砜膜的制备:
(1)将对乙醇水溶液0.2wt.%的间二苯酚和0.25wt.%的甲醛溶于乙醇水溶液中,在氨水的催化下搅拌6h形成球型酚醛树脂,其中,氨水的质量分数为28%,氨水用量为乙醇水溶液的1wt.%;将对乙醇水溶液0.5wt.%的正硅酸甲酯加入至酚醛树脂中,15min后再次加入对乙醇水溶液0.3wt.%的间二苯酚和0.75wt.%的甲醛,反应3h经离心、清洗、烘干后空气氛围下550℃灼烧5h,获得花粉硅;
(2)将花粉硅溶于水中(花粉硅与水的质量比为1∶55)溶液,在氨水的催化下与对花粉硅水溶液0.85wt.%的硝酸银反应30h,产物经离心、水洗烘干后获得球型硅载银复合体;
(3)将对去离子水0.04wt.%的花粉硅载银复合体均匀分散于去离子水中得含有花粉硅载银复合体的去离子水;
(4)取10g聚砜粉末、8g聚乙烯醇溶解于100mL二甲亚砜中,在80℃下充分搅拌,直至聚砜和聚乙烯醇完全溶解,室温真空脱泡30min后得到均一稳定的铸膜液;
(5)将步骤(4)中得到的铸膜液倒在玻璃板上,用刮刀均匀地刮制成厚度约为250μm的平板膜,平板膜在空气中(24~26℃,相对湿度25~35℃)预蒸发30~40s后,室温下放入含有花粉硅载银复合体的去离子水中,凝固成型,待膜从玻璃板上自行脱落后得到100g经花粉硅载银复合体改性的聚砜膜。
实施例3:
花粉硅负载银改性的聚偏氟乙烯-聚砜膜的制备:
(1)将对乙醇水溶液0.2wt.%的间二苯酚和0.2wt.%的甲醛溶于乙醇水溶液中,在氨水的催化下搅拌6h形成球型酚醛树脂,其中,氨水的质量分数为28%,氨水用量为乙醇水溶液的3wt.%;将对乙醇水溶液0.5wt.%的正硅酸乙酯加入至酚醛树脂中,8min后再次加入对乙醇水溶液0.7wt.%的间二苯酚和0.55wt.%的甲醛,反应2h经离心、清洗、烘干后空气氛围下550℃灼烧5h,获得花粉硅;
(2)将花粉硅溶于水中(花粉硅与水的质量比为1∶70)溶液,在氨水的催化下与花粉硅水溶液0.68wt.%的硝酸银反应18h,产物经离心、水洗烘干后获得球型硅载银复合体;
(3)将对去离子水0.01wt.%的花粉硅载银复合体均匀分散于去离子水中得含有花粉硅载银复合体的去离子水;
(4)取8g聚偏氟乙烯粉末、5g聚砜粉末、5g聚乙烯醇溶解于100mL二甲亚砜中,在80℃下充分搅拌,直至聚偏氟乙烯、聚砜和聚乙烯醇完全溶解,室温真空脱泡30min后得到均一稳定的铸膜液;
(5)将步骤(4)中得到的铸膜液倒在玻璃板上,用刮刀均匀地刮制成厚度约为250μm的平板膜,平板膜在空气中(24~26℃,相对湿度25~35℃)预蒸发30~40s后,室温下放入含有花粉硅载银复合体的去离子水中,凝固成型,待膜从玻璃板上自行脱落后得到100g经花粉硅载银复合体改性的聚偏氟乙烯-聚砜复合膜。
采用稀释平板计数法测定上述对比例1-2和实施例1-3所制得的膜对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌性能,抗菌性能测试操作如下,抗菌性能测试结果如表1所示。
抗菌性能测试操作:将膜(0.5cm2)浸泡于1mL MD培养基中,加入104cells/mL的模型细菌悬液100μL,37℃下培养12h,取培养后的混合液进行梯度稀释100倍,接种于琼脂培养基,在37℃恒温培养24h后,进行细菌数量统计。
表1
编号 对大肠杆菌的抑制率 对金黄色葡萄球菌的抑制率
实施例1 98% 97%
实施例2 97% 97%
实施例3 95% 94%
对比例1 0 0
对比例2 92% 90%
由表1可知,膜MC对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌无明显抑制作用,膜M-SP-Ag、膜M-PO-Ag对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌均具有明显的抑制作用,且膜M-PO-Ag的抑菌效果要优于膜M-SP-Ag。
对实施例1所制得的膜M-PO-Ag和对比例2所制得的膜M-SP-Ag进行银离子释放测试,银离子释放测试操作如下,银离子释放测试结果如图2所示。
银离子释放测试操作:将膜(5cm2)分别浸泡于去离子水中,在浸泡1d、2d、4d、7d、14d、34d后取出浸泡液(每次取出后加入新鲜去离子水),使用ICP-MS测试浸泡液中的银离子浓度,获得银离子释放速率。
由图2可知,膜M-SP-Ag中银离子释放速率明显大于膜M-PO-A。
可以理解的是,以上关于本发明的具体描述,仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解,仍然可以对本发明进行修改或等同替换,以达到相同的技术效果;只要满足使用需要,都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种花粉硅负载纳米银改性分离膜的制备方法,其特征在于,主要包括以下步骤:
(1)花粉硅的制备:将对乙醇水溶液0.1~0.3wt.%的间二苯酚和对乙醇水溶液0.15~0.35wt.%的甲醛溶于乙醇水溶液中,在对乙醇水溶液1~3wt.%的氨水的催化下搅拌2~12h形成球型酚醛树脂;然后将对乙醇水溶液0.5~1wt.%的硅源加入至酚醛树脂中,搅拌5~15min后再次加入对乙醇水溶液0.3~0.7wt.%的间二苯酚和0.4~0.75wt.%的甲醛,反应1~3h经离心、清洗、烘干后空气氛围下500~600℃灼烧3~7h,获得花粉硅;
(2)花粉硅载银复合体的制备:将花粉硅溶于水形成均匀溶液,在氨水的催化下与硝酸银反应18~30h,产物经离心、水洗、烘干后得花粉硅载银复合体;
(3)花粉硅载银改性分离膜的制备:将对凝固浴0.01~0.04wt.%的花粉硅载银复合体加入至凝固浴中后超声分散均匀,然后将聚合物液膜浸入该凝固浴中凝固成型,经清水冲洗后得花粉硅载银改性分离膜。
2.如权利要求1所述的花粉硅负载纳米银改性分离膜的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述的硅源为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、六甲基二硅氧烷中的任意一种。
3.如权利要求1所述的花粉硅负载纳米银改性分离膜的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述的花粉硅与水的质量比为1∶(55~75),所述硝酸银对花粉硅水溶液的质量分数为0.65~0.85wt.%。
4.如权利要求1所述的花粉硅负载纳米银改性分离膜的制备方法,其特征在于,步骤(3)中所述的聚合物液膜在空气中预蒸发30~40s后再浸入凝固浴中。
5.如权利要求1所述的花粉硅负载纳米银改性分离膜的制备方法,其特征在于,步骤(3)中所述的聚合物液膜的制备方法为:将成膜聚合物、成孔剂和有机溶剂混合,在75~85℃下搅拌至完全溶解后,室温下真空脱泡15~60min得到均一稳定的铸膜液,将铸膜液刮制平板膜得所述聚合物液膜。
6.如权利要求1所述的花粉硅负载纳米银改性分离膜的制备方法,其特征在于,所述铸膜液的组成为:每100重量份的花粉硅载银改性分离膜中含有8~20重量份的成膜聚合物,5~8重量份的成孔剂,余量为有机溶剂。
7.根据权利要求6所述的花粉硅负载纳米银改性分离膜的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述的成膜聚合物为聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚砜或聚丙烯腈中的一种或几种混合物。
8.根据权利要求6所述的花粉硅负载纳米银改性分离膜的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述的成孔剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇或聚醋酸乙烯酯中的一种或几种混合物。
9.根据权利要求6所述的花粉硅负载纳米银改性分离膜的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述的有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺或二甲基亚砜中的一种或几种混合物。
10.根据权利要求1至9任一所述的制备方法得到的花粉硅负载纳米银改性分离膜。
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