CN109499391B - 一种交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法及其应用,包括,纤维素铸膜液的制备:配制ZnCl2及CaCl2混合水溶液,加入PVA,混合均匀后再加入纤维素原料进行充分溶解,经加热、搅拌至完全溶解,将铸膜液静置抽真空脱除气泡,即得到均一、透明且具有一定粘度的纤维素铸膜液;相转化法制膜;交联改性再生纤维素纳滤膜的制备。本发明再生纤维素纳滤膜平均孔径在6~7nm、可截留分子量200Da、水通量较高,对二价盐的截留率则较低,可用于甲基橙、刚果红等小分子染料有机物的分离和染料脱盐,分离效果明显且具有高稳定性等特点。
Description
技术领域
本发明属于纳滤膜技术领域,具体涉及一种交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法及其应用。
背景技术
膜分离技术是当代新型高效的分离技术,也是21世纪具有发展前途的高新材料之一。膜分离技术主要借助于外界能量或化学位差的推动力,对两组分或者多组分的液体或气体进行分离、提纯富集。目前,已经成熟或者正在开发的膜技术包括微滤、超滤、纳滤、反渗透、渗析及渗透汽化等。膜分离技术兼备高效、节能、环保、分子级过滤及操作过程简单、易于控制等特点。在生物制品、饮用水净化、海水淡化、市政污水处理以及工业废水的处理等方面存在明显优势,成为解决人类资源、能源匮乏和环境危机的重要手段,有利促进社会、经济及科技的发展,在全世界获得越爱越多的关注。
随着膜在工业生产中的应用不断推广,膜材料的种类也越来越多。其中包括有:无机膜(如多孔陶瓷膜(Al2O3)、多孔玻璃膜(SiO2)、金属膜、分子筛膜、C膜、石墨烯膜)、有机膜(如PSF、PES、PI、CA、Pebax等)、有机-无机杂化膜(如CNTs、MOF、GO等)。然而,目前已经商业化的无机膜也存在很多弊端,比如陶瓷膜较脆、容易断裂且生产成本高。Mendoza-Roca等研究表明,不同陶瓷膜对于染料的截留分子量为30KDa、50KDa和150KDa,其最大脱色率为82%~98%,因其具有较高的截留分子量对小分子有机物较低的截留作用且膜污染严重。纳滤膜可用于染料脱盐、抗生素的浓缩和纯化、化学与医药废水的脱色等方面。其孔径大小可以控制在1nm~1.2nm之间,推动力Δp小于1.0MPa,通过筛分作用可以截留相对分子量为200~1000Da的物质,如染料、抗生素、氨基酸等。相对于其他传统方式(吸附、沉积、化学降解等)纳滤分离膜在有机物染料的分离回收在存在明显优势。
纤维素作为可再生生物质资源,是自然界中分布最广、储量最大的天然高分子产物,具有良好的生物相容性、生物可降解性和低毒性,被认为是未来开发新能源及新材料的重要原料。相对而言,通过直接溶解法制备的再生纤维膜具有结构更为致密、阻隔性能好、力学强度大、生物相容性好及可降解性等优点。关于直接溶解法制备再生纤维素分离膜方面的研究,尤其是通过筛分作用用于分离分子量小于1000Da的有机物(如甲基橙、刚果红等)鲜有研究者进行报道。
Weng等人采用纤维素/离子液体制备的再生纤维素膜对刚果红染料的截留率为99.7%,但在实际应用中染料分子将吸附或沉积在膜表面、膜孔中,降低了膜的渗透性和选择性影响其分离效率。
专利(CN 101357302A)描述了一种工艺简单、环保型的醋酸纤维素纳滤膜的制备方法。通过该方法制备的醋酸纤维素纳滤膜脱盐率在70%~80%,但对分子量为400Da的PEG400的截留率仅为50%~70%。
专利(105327623A)描述了一种醋酸纤维素纳滤膜及其制备方法。所述醋酸纤维素纳滤膜是以醋酸纤维素为原料,胺改性的金属有机骨架化合物和小分子成孔剂为混合添加剂,经交联后该醋酸纤维素纳滤膜显示出荷正电性,可促进带正电的氨基酸、蛋白质的分离,提高纳滤膜的截留率。该方法所制备的膜主要针对苦咸水脱盐,最高脱盐率为86%,但水的渗透率比较低,仅为9.6L/m2·h。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊,而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述的技术缺陷,提出了本发明。
因此,作为本发明其中一个方面,本发明克服现有技术中存在的不足,提供一种交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法。
为解决上述技术问题,本发明提供了如下技术方案:一种交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法,其包括,
纤维素铸膜液的制备:配制ZnCl2及CaCl2混合水溶液,加入PVA,混合均匀后再加入纤维素原料进行充分溶解,经加热、搅拌至完全溶解,将铸膜液静置抽真空脱除气泡,即得到均一、透明且具有一定粘度的纤维素铸膜液;
相转化法制膜:将所述纤维素铸膜液用刮膜刀在基板上均匀涂覆,得到再生纤维素初生膜,在室温条件下将所述纤维素初生膜置于凝固浴中浸泡凝固成膜,室温下晾干;
交联改性再生纤维素纳滤膜的制备:配制戊二醛溶液,将所述再生纤维素初生膜置于戊二醛溶液中缓慢搅拌反应,待反应结束后,将膜取出自然晾干,得到交联改性的再生纤维素纳滤膜。
作为本发明所述的交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法的一种优选方案:所述ZnCl2及CaCl2混合水溶液,其中,所述ZnCl2质量浓度为55%~75%,所述CaCl2质量浓度为1~4%。
作为本发明所述的交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法的一种优选方案:所述PVA,其聚合度为1700~1800,PVA含量为纤维素铸膜液总质量的0.1%~5%。
作为本发明所述的交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法的一种优选方案:所述纤维素原料为天然纤维素,所述天然纤维素的聚合度为200~2000,所述纤维素原料的添加量为所述纤维素铸膜液质量的1%~4%。
作为本发明所述的交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法的一种优选方案:所述天然纤维素包括棉短绒、微晶纤维素、棉浆柏、木浆柏、竹浆柏、脱脂棉、甘蔗渣、木材、植物秸秆中制得的纤维素。
作为本发明所述的交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法的一种优选方案:所述经加热、搅拌至完全溶解,其加热温度为55~80℃,时间为0.5~1.5小时。
作为本发明所述的交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法的一种优选方案:所述凝固浴,包括丙酮、乙醇、甲醇、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、异丙醇、丁酮、环己烷中的一种。
作为本发明所述的交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法的一种优选方案:所述再生纤维素初生膜,其厚度为100~200um,所述置于凝固浴中浸泡凝固成膜,在凝固浴中浸泡时间为0.5~1.5小时。
作为本发明所述的交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法的一种优选方案:所述将所述再生纤维素初生膜置于戊二醛溶液中缓慢搅拌反应,其中,所述戊二醛溶液,其质量浓度为0.1wt%~10wt%,反应时间为0.5~2.5小时,反应温度为50℃~90℃。
作为本发明的另一个方面,本发明克服现有技术中存在的不足,提供所述交联改性再生纤维素纳滤膜的应用。
为解决上述技术问题,本发明提供了如下技术方案:所述交联改性再生纤维素纳滤膜的应用,其中:所述交联改性再生纤维素纳滤膜用于生物制药、分离纯化、食品包装、工业废水处理。
本发明的有益效果:本发明再生纤维素纳滤膜平均孔径在6~7nm、可截留分子量200Da、水通量较高,对二价盐的截留率则较低,可用于甲基橙、刚果红等小分子染料有机物的分离和染料脱盐,分离效果明显且具有高稳定性等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。其中:
图1为实施例1~3制备的交联改性再生纤维素纳滤膜实物照片和对应接触角图片。
图2为实施例1~3制备的交联改性再生纤维素纳滤膜表面、膜截面扫描电镜照片。
图3为对比例1~2、实施例2制备的交联改性再生纤维素纳滤膜对10mg/L的刚果红溶液(a)、10mg/L甲基橙溶液实验过程中通量随时间的变化。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次,此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例,也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1:
一种交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法,依次进行以下步骤:
1)纤维素铸膜液的制备:准确称取9.87gZnCl2配制质量分数为65%水溶液,接着0.2gCaCl2、0gPVA,之后加入0.3g微晶纤维素(MCC)并且在70℃的条件下经磁力搅拌0.5h进行充分溶解。将溶解后的纤维素进行抽真空脱除气泡,即得到均一、透明且具有一定粘度的PVA-纤维素铸膜液。
2)相转化法制膜:将冲洗干净的玻璃板和刮膜刀放置于90℃恒温条件下,将纤维素铸膜液用刮膜刀均匀涂覆在玻璃板上,得到厚度为100um再生纤维素初生膜。然后,在室温条件下将所得纤维素初生膜放置于甲醇凝固浴浸泡1h。膜经夹具定型、空气中晾干,存放在0%湿度的容器中,得到透明的再生纤维素膜。
3)交联改性再生纤维素纳滤膜的制备:准确配制10wt%的戊二醛溶液,并于常温下充分搅拌,将再生纤维素膜置于戊二醛溶液中缓慢搅拌,设置反应温度为50℃,反应时间为2h。待反应结束后,将膜取出自然晾干,即为交联改性的再生纤维素纳滤膜。
实施例2:
一种交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法,将步骤1)中MCC的质量改成0.45g,PVA的质量改成0.25g,溶解时间为1h;步骤2)中凝固浴改为乙醇,浸泡时间为0.5h;步骤3)戊二醛浓度改成7wt%,反应温度改成70℃,其余同实施例1。图1为实施例1~3制备的交联。
改性再生纤维素纳滤膜实物照片和对应接触角图片,由图1可知,本实施例接触角为34.6,体现出很强的亲水性。
实施例3:
一种交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法,将步骤1)中氯化锌的质量改成10.41g,MCC的质量改成0.5g,PVA的质量改成0.45g;步骤3)中戊二醛浓度改成5wt%,反应时间为1h,其余同实施例2。
实施例4:
一种交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法,将步骤1)中CaCl2的质量改为0.4g,PVA的质量改成0.5g,MCC的质量改成0.45g;步骤3)中戊二醛浓度改成3wt%,反应时间为1.5h,反应温度改成90℃,其余同实施例3。
实施例5:
一种交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法,将步骤1)中CaCl2的质量改为0.5g,微晶纤维素改成棉短绒(Cotton),质量改成0.2g;步骤2)中凝固浴改成丙酮,其余同实施例2。
实施例6:
一种交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法,将步骤2)中凝固浴改为异丙醇,其余同实施例2。
对上述实施例1~6所得的再生纤维素纳滤膜进行性能评价,测试条件为:膜有效面积为12.83cm2,C(MO)、C(CR)的料液浓度为10mg/L,初始无机盐溶液MgCl2浓度为100ppm,测试压力为0.2MPa,测试时间为6h,测试温度为25℃。测试结果如表1所示,R为截留率。
表1
实施例7(对比例1):
将实施例1步骤1)中PVA的质量改成0.7g,其余同实施例1。该体系不能形成透明均一溶液,无法制膜。
实施例8(对比例2):
将实施例2中步骤1)中MCC质量改成0.9g,其余同实施例2。
实施例9(对比例3):
将实施例3中步骤3)戊二醛的质量分数改成0wt%,其余同实施例3。
实施例10(对比例4):
将实施例4中步骤1)中氯化锌的质量改成11.58g,其余同实施例4。
对上述对比实验1~4所得再生纤维素纳滤膜进行性能评价,评价条件同上。测试结果如表2所示。
表2
实施例11(对比例5):
一种交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法,将步骤1)中PVA改为PEG2000,其余同实施例2。
实施例12(对比例6):
一种交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法,将步骤1)中PVA改为PVA0588,其余同实施例2。
实施例13(对比例7):
一种交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法,将步骤3)中戊二醛改为甲醛,其余同实施例2。
实施例14(对比例8):
一种交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法,将步骤3)中戊二醛改为乙二醛,其余同实施例2。
实施例15(对比例9):
一种交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法,将步骤1)中CaCl2改为MgCl2,其余同实施例2。
表3
综上,本发明提出一种交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法,本发明再生纤维素纳滤膜平均孔径在6~7nm、可截留分子量200Da、水通量较高,对二价盐的截留率则较低,可用于甲基橙、刚果红等小分子染料有机物的分离和染料脱盐,分离效果明显且具有高稳定性等特点。首先,在氯化锌水溶液中加入定量PVA形成均一的溶液,该溶液将纤维素直接溶解形成透明溶液,经脱泡后在玻璃板上刮膜形成厚度均一的溶液层,将其通过相转化法制备再生纤维素膜。其次,将所得再生纤维素膜浸渍在温度为60℃~90℃的戊二醛溶液中缓慢搅拌,其中戊二醛含量为0.1wt%~10wt%,并设置交联反应时间为0.5~2.5h.待反应结束后将膜晾干即得到交联改性再生纤维素纳滤膜。该交联改性再生纤维素纳滤膜的力学强度较高,且在0.2MPa的作用下,对10mg/L的刚果红(MW=696Da)溶液和10mg/L的甲基橙(MW=327Da)溶液的截留率分别可以达到99%和96%,且在对甲基橙溶液的6h渗透实验中,该膜的通量仅降低2.4%,表现出优异的稳定性。而对无机盐,如MgCl2的截留率则较低。本发明的优势不仅在于原料为生物质来源,而且制膜方法简单,制备的再生纤维素纳滤膜具有力学强度高、亲水性好、结构稳定、抗污染性能等优点,对于染料分离领域具有较好的工业应用价值。
应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法,其特征在于:包括,
纤维素铸膜液的制备:配制ZnCl2及CaCl2混合水溶液,加入PVA,混合均匀后再加入纤维素原料进行充分溶解,经加热、搅拌至完全溶解,将铸膜液静置抽真空脱除气泡,即得到均一、透明且具有一定粘度的纤维素铸膜液;
相转化法制膜:将所述纤维素铸膜液用刮膜刀在基板上均匀涂覆,得到再生纤维素初生膜,在室温条件下将所述纤维素初生膜置于凝固浴中浸泡凝固成膜,室温下晾干,得到再生纤维素膜;
交联改性再生纤维素纳滤膜的制备:配制戊二醛溶液,将所述再生纤维素膜置于戊二醛溶液中缓慢搅拌反应,待反应结束后,将膜取出自然晾干,得到交联改性的再生纤维素纳滤膜;
所述PVA,其聚合度为1700~1800,PVA含量为纤维素铸膜液总质量的0.1% ~5%;
所述纤维素原料为天然纤维素,所述天然纤维素的聚合度为200~2000,所述纤维素原料的添加量为所述纤维素铸膜液质量的1%~4%。
2.根据权利要求1所述的交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法,其特征在于:所述ZnCl2及CaCl2混合水溶液,其中,所述ZnCl2质量浓度为55%~75%,所述CaCl2质量浓度为1%~4%。
3.根据权利要求1所述的交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法,其特征在于:所述天然纤维素包括棉短绒、微晶纤维素、棉浆粕 、木浆粕 、竹浆粕 、脱脂棉、甘蔗渣、木材或植物秸秆中制得的纤维素。
4.根据权利要求1、2、3中任一项所述的交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法,其特征在于:所述经加热、搅拌至完全溶解,其加热温度为55~80°C,搅拌时间为0.5~1.5小时。
5.根据权利要求1、2、3中任一项所述的交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法,其特征在于:所述凝固浴,包括丙酮、乙醇、甲醇、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、异丙醇、丁酮、环己烷中的一种。
6.根据权利要求1、2、3中任一项所述的交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法,其特征在于:所述再生纤维素初生膜,其厚度为100~200um,所述置于凝固浴中浸泡凝固成膜,在凝固浴中浸泡时间为0.5~1.5小时。
7.根据权利要求1、2、3中任一项所述的交联改性再生纤维素纳滤膜的制备方法,其特征在于:所述将所述再生纤维素膜置于戊二醛溶液中缓慢搅拌反应,其中,所述戊二醛溶液,其质量浓度为0.1wt% ~ 10wt%,反应时间为0.5 ~2.5小时,反应温度为50℃~90℃。
8.权利要求1~7中任一项所述的制备方法制得的交联改性再生纤维素纳滤膜的应用,其特征在于:所述交联改性再生纤维素纳滤膜用于生物制药、分离纯化、食品包装、工业废水处理。
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Qin Xu et al.."A facile route to prepare cellulose-based films".《Carbohydrate Polymers》.2016,第149卷第274-281页. * |
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