CN109569310A - 一种用于膜蒸馏的静电纺PcH/CNT纳米纤维膜及其制备方法 - Google Patents

一种用于膜蒸馏的静电纺PcH/CNT纳米纤维膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于膜蒸馏的静电纺PcH/CNT纳米纤维膜及其制备方法。所述纳米纤维膜由PET无纺布支撑层及其表面的PcH/CNT纳米纤维层组成。制备方法为：将CNTs超声分散在有机溶剂中，然后加入PcH，搅拌均匀，得到纺丝液；将纺丝液在室温下静置脱泡，然后将纺丝液进行静电纺丝，并用PET无纺布接收静电纳米纤维丝，将其从收集器上剥离，真空干燥后，进行热压处理，得到静电纺PcH/CNT纳米纤维蒸馏膜。本发明提供的静电纺PcH/CNT纳米纤维膜用于膜蒸馏中脱盐率超过99.99％，且具有较好的机械性能和抗润湿性能，提高了蒸汽渗透性，大大降低了膜污染的风险。

Description

一种用于膜蒸馏的静电纺PcH/CNT纳米纤维膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于膜蒸馏的静电纺PcH/CNT纳米纤维膜的制备方法，属于膜分离技术领域。
背景技术
膜蒸馏(MD)是一种以微孔疏水膜为分离介质，膜两侧蒸汽压力差为推动力的热驱动膜分离过程。膜蒸馏可以100％截留不可挥发性物质；操作温度远低于传统蒸馏过程；操作压力比其他以压力为推动力的膜分离过程低；处理液与膜间的化学作用小；对膜的机械强度要求低；与传统蒸馏过程比，操作所需汽相空间小。然而，相对低的渗透通量和严重的膜污染限制了这种有希望的技术的广泛应用。
常用于静电纺的聚合物有聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚偏氟乙烯(PVDF)。这三种聚合物的化学稳定性不错，但是热稳定性一般。而聚偏二氟乙烯共六氟丙烯(以下简写PcH)兼具热稳定性好和化学性质稳定两种优点、且耐溶剂性强，加工性能好，是一种优异的复合材料的基体材料。同时，PcH是半结晶热塑性聚合物，含有α、β、γ等多种晶相，常通过控制成膜工艺促进α相向β相转变来提升材料介电性能。聚偏二氟乙烯共六氟丙烯制成膜，可作为膜分离技术的反应膜应用于海水淡化、纯水制备、化工行业的分离提纯、生物科技、环境保护等方面。
为了进一步提高MD膜性能，将各种无机纳米粒子(Al2O3，SiO2，TiO2等)掺入膜中以改善膜孔隙率或疏水性。特别地，碳纳米管(CNTs)通常用作添加剂，因为它们具有优异的比表面积，热稳定性，机械强度并且能很好地分散在有机溶剂中。有研究报道，碳纳米管掺杂可以增强膜的疏水性，渗透通量和机械强度。证明CNTs在膜中的固定能改善水-膜相互作用，促进了蒸气渗透性，同时防止液体渗透到膜孔中。
静电纺丝是一种简单直接的方法，通过在高压电场下通过喷丝头强制聚合物溶液来生产纳米纤维。可通过静电纺丝制造具有可控孔径的高度多孔膜。然而，静电纺丝膜通常较蓬松，导致较弱的机械性能和较差的膜性能。因此，热压后处理尤为重要。有研究表明，热压可以改善膜的机械和物理性质，从而提高膜的MD性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于膜蒸馏的静电纺PcH/CNT纳米纤维膜的制备方法，以提高纳米纤维膜的疏水性和机械性，继而得到较高的通量及截盐率。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供一种用于膜蒸馏的静电纺PcH/CNT纳米纤维膜，其特征在于，由PET无纺布支撑层及其表面的PcH/CNT纳米纤维层组成。
本发明还提供了一种上述用于膜蒸馏的静电纺PcH/CNT纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：将CNTs超声分散在有机溶剂中，然后加入PcH，搅拌均匀，得到纺丝液；
步骤2)：将纺丝液在室温下静置脱泡，然后将纺丝液倒入注射器中，喷丝头与注射器连接并放置在滑台上，将PET无纺布包裹在接地的滚轴上作为接收装置，在高压作用下，进行静电纺丝，并用PET无纺布接收静电纳米纤维丝，从而得到PET无纺布作为支撑层的PcH/CNT纳米纤维膜；
步骤3)：将步骤2)中的纳米纤维膜从收集器上剥离，真空干燥后，进行热压处理，得到静电纺PcH/CNT纳米纤维蒸馏膜。
优选地，所述步骤1)中CNTs在有机溶剂中的质量浓度为0.25～1％；PcH在有机溶剂中的质量浓度为18～24％；所述有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺和丙酮的混合物。
更优选地，所述N，N-二甲基甲酰胺与丙酮的体积比为(7：3)～(9：1)。
优选地，所述步骤2)中静置脱泡的时间为2～5小时，温度为30～60℃。
优选地，所述步骤2)中的注射器采用规格为10mL的平口针头注射器，注射器针头的内径为0.7mm，进料速度0.5～2mL/h，施加电压为15～25kV，收集器转速为200～400r/min，注射针头与收集器之间的距离为15～20cm。
优选地，所述步骤2)的静电纺丝过程中控制温度为20～30℃，湿度为20～45％RH；喷丝头在静电纺丝过程中沿滑台水平往复移动，移动速度为1～2cm/s。
优选地，所述步骤3)中真空干燥的温度为60～80℃，时间为8～12小时。压力为0.2～0.4kPa；所述热压的温度为140～160℃，热压时间为2～5小时。
本发明结合PcH和CNTs两种材料的性能，以及静电纺丝工艺和热压后处理，制备了静电纺PcH/CNT纳米纤维膜。本发明中用于膜蒸馏的静电纺PcH/CNT纳米纤维膜，通过CNTs的掺杂和热压后处理，可以有效改善静电纺纳米纤维膜的机械性能和抗润湿性能，且由于CNTs在纤维膜中的固定，改善了水-膜两者间的相互作用，有效促进了蒸汽渗透性，同时防止液体渗透到膜孔中，极大的减少了膜污染的可能性。
本发明提供的静电纺PcH/CNT纳米纤维膜用于膜蒸馏中脱盐率超过99.99％，且具有较好的机械性能和抗润湿性能，提高了蒸汽渗透性，大大降低了膜污染的风险。
附图说明
图1为实施例1中添加0.5wt％CNT的PcH/CNT纳米纤维膜经150℃热压后的表面SEM图(a,b)和断面SEM图(c,d)的比较图；
图2为实施例1中商业膜、150℃热压后的PcH纳米纤维膜和150℃热压后的PcH/CNT纳米纤维膜在以35g/LNaCl为原料液的膜蒸馏测试中的渗透通量和电导率比较图；
图3为实施例2中商业膜、150℃热压后的PcH纳米纤维膜和150℃热压后的PcH/CNT纳米纤维膜在不同浓度原料液中渗透通量和截盐率测试结果；
图4为实施例3中商业模和PcH/CNT纳米纤维膜处理模拟印染废水的渗透通量。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
一种静电纺PcH/CNT纳米纤维膜的制备方法：
(1)纺丝液配制：将0.5wt％CNT加入DMF与丙酮的混合液(DMF：丙酮＝8:2)，超声使CNT分散均匀，然后称取20wt％PcH聚合物溶于上述混合液，置于磁力搅拌器上，在60℃，1400r/min的条件下搅拌6h。搅拌完成后，将纺丝液静置脱泡。同时配制一瓶不加CNT的纺丝液作为对照组，脱泡待用。
(2)静电纺PcH/CNT纳米纤维膜的制备：将纺丝液倒入规格为10mL的无菌注射器，采用平口针头进行静电纺丝，针头内径0.7mm，无菌注射器通过一次性塑料连接管和鲁尔接头一端连接，平口针头与鲁尔接头另一端连接并放置在滑台上，将注射器安装到微量注射泵上，在20kV的高压下，控制纺丝液的进料速度为1mL/h，滚轴转速300r/min，滚轴和注射器针头之间的距离15cm，温度和湿度分别控制在25℃和30％RH。同时，在滚轴上包裹一层PET无纺布，作为静电纺丝接收器，通过调整滑台的移动速度为1cm/s，可制得由PET无纺布支撑层承载的PcH/CNT纳米纤维膜。
(3)热压后处理：静电纺丝膜制备成功后，首先将PcH/CNT纳米纤维膜(PcH纳米纤维膜)放于60℃的烘箱12h，以去除残留溶剂，接着对膜进行热压处理以提高其机械性能。将膜样品平铺在两块平滑铁板间(压力为0.297kPa)，然后将其置于烘箱中，在150℃温度下热压2h后，取出待用。
(4)MD性能测试：实验室规模的直接接触式膜蒸馏(DCMD)装置分别测试商业膜、PcH纳米纤维膜和PcH/CNT纳米纤维膜的性能，原料液为35g/L的NaCl溶液，温度维持在60±1℃；渗透液为去离子水，温度维持在20±1℃，且原料液和渗透液的循环流速均设为400mL/min。
将本发明实施例的PcH/CNT纳米纤维膜、PcH纳米纤维膜和购买的商业膜分别采用上述方法在原料液中进行性能测试，原料液为35g/L NaCl溶液。
PcH/CNT纳米纤维膜的形貌及性能表征：
(1)形貌：
场发射扫描电镜对纳米纤维膜表面形貌进行表征。测试前样品经热压150℃处理2h。
(2)PcH/CNT纳米纤维膜的MD性能表征：
静电纺PcH/CNT膜的渗透通量Jw[L/(m2·h)]，截盐率Rs(％)的计算公式分别如式1所示。
式(1)中，ΔV为渗透液体积增加量，单位：L；Am为有效膜面积，单位：m2；Δt为时间间隔，单位：h。
实施例1结果见图1和图2。
实施例2
一种静电纺PcH/CNT纳米纤维膜的制备方法：
(1)纺丝液配制：将0.5wt％CNT加入DMF与丙酮的混合液(DMF：丙酮＝8:2)，超声使CNT分散均匀，然后称取20wt％PcH聚合物溶于上述混合液，置于磁力搅拌器上，在60℃，1400r/min的条件下搅拌6h，搅拌完成后，将纺丝液静置脱泡，待用。
(2)静电纺PcH/CNT纳米纤维膜的制备：将纺丝液倒入规格为10mL的无菌注射器，采用平口针头进行静电纺丝，针头内径0.7mm，无菌注射器通过一次性塑料连接管和鲁尔接头一端连接，平口针头与鲁尔接头另一端连接并放置在滑台上，将注射器安装到微量注射泵上，在20kV的高压下，控制纺丝液的进料速度为1mL/h，滚轴转速300r/min，滚轴和注射器针头之间的距离15cm，温度和湿度分别控制在25℃和30％RH。同时，在滚轴上包裹一层PET无纺布，作为静电纺丝接收器，通过调整滑台的移动速度为1cm/s，可制得由PET无纺布支撑层承载的PcH/CNT纳米纤维膜。
(3)热压后处理：静电纺丝膜制备成功后，首先将PcH/CNT纳米纤维膜放于60℃的烘箱12h，以去除残留溶剂，接着对膜进行热压处理以提高其机械性能。将膜样品平铺在两块平滑铁板间(压力为0.297kPa)，然后将其置于烘箱中，在150℃温度下热压2h后，取出待用。
(4)MD性能测试：实验室规模的直接接触式膜蒸馏(DCMD)装置分别测试商业膜、PcH纳米纤维膜和PcH/CNT纳米纤维膜在不同原料液浓度下的性能，原料液为35和70g/L的NaCl溶液，温度维持在60±1℃；渗透液为去离子水，温度维持在20±1℃，且原料液和渗透液的循环流速均设为400mL/min。
将本发明实施例的PcH/CNT纳米纤维膜、PcH纳米纤维膜和购买的商业膜分别采用上述方法在不同浓度原料液中进行性能测试，原料液为35g/L NaCl溶液和70g/L NaCl溶液。实施例2结果见图3。
实施例3
(1)纺丝液配制：将0.5wt％CNT加入DMF与丙酮的混合液(DMF：丙酮＝8:2)，超声使CNT分散均匀，然后称取20wt％PcH聚合物溶于上述混合液，置于磁力搅拌器上，在60℃，1400r/min的条件下搅拌6h，搅拌完成后，将纺丝液静置脱泡，待用。
(2)静电纺PcH/CNT纳米纤维膜的制备：将纺丝液倒入规格为10mL的无菌注射器，采用平口针头进行静电纺丝，针头内径0.7mm，无菌注射器通过一次性塑料连接管和鲁尔接头一端连接，平口针头与鲁尔接头另一端连接并放置在滑台上，将注射器安装到微量注射泵上，在20kV的高压下，控制纺丝液的进料速度为1mL/h，滚轴转速300r/min，滚轴和注射器针头之间的距离15cm，温度和湿度分别控制在25℃和30％RH。同时，在滚轴上包裹一层PET无纺布，作为静电纺丝接收器，通过调整滑台的移动速度为1cm/s，可制得由PET无纺布支撑层承载的PcH/CNT纳米纤维膜。
(3)热压后处理：静电纺丝膜制备成功后，首先将PcH/CNT纳米纤维膜放于60℃的烘箱12h，以去除残留溶剂，接着对膜进行热压处理以提高其机械性能。将膜样品平铺在两块平滑铁板间(压力为0.297kPa)，然后将其置于烘箱中，在150℃温度下热压2h后，取出待用。
(4)MD性能测试：实验室规模的直接接触式膜蒸馏(DCMD)装置分别测试商业模和PcH/CNT纳米纤维膜的性能，原料液为模拟印染废水，温度维持在60±1℃；渗透液为去离子水，温度维持在20±1℃，且原料液和渗透液的循环流速均设为400mL/min。
实施例3结果见图4。
通过上述实施例可以看出，本发明制备的PcH/CNT纳米纤维膜在膜蒸馏测试中显示出较高的截盐率，且渗透通量也得到显著提高。

Claims (8)

1.一种用于膜蒸馏的静电纺PcH/CNT纳米纤维膜，其特征在于，由PET无纺布支撑层及其表面的PcH/CNT纳米纤维层组成。
2.一种权利要求1所述的用于膜蒸馏的静电纺PcH/CNT纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：将CNTs超声分散在有机溶剂中，然后加入PcH，搅拌均匀，得到纺丝液；
步骤2)：将纺丝液在室温下静置脱泡，然后将纺丝液倒入注射器中，喷丝头与注射器连接并放置在滑台上，将PET无纺布包裹在接地的滚轴上作为接收装置，在高压作用下，进行静电纺丝，并用PET无纺布接收静电纳米纤维丝，从而得到PET无纺布作为支撑层的PcH/CNT纳米纤维膜；
步骤3)：将步骤2)中的纳米纤维膜从收集器上剥离，真空干燥后，进行热压处理，得到静电纺PcH/CNT纳米纤维蒸馏膜。
3.如权利要求2所述的用于膜蒸馏的PcH/CN纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中CNTs在有机溶剂中的质量浓度为0.25～1％；PcH在有机溶剂中的质量浓度为18～24％；所述有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺和丙酮的混合物。
4.如权利要求3所述的用于膜蒸馏的PcH/CN纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述N，N-二甲基甲酰胺与丙酮的体积比为(7：3)～(9：1)。
5.如权利要求2所述的用于膜蒸馏的PcH/CN纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中静置脱泡的时间为2～5小时，温度为30～60℃。
6.如权利要求2所述的用于膜蒸馏的PcH/CN纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中的注射器采用规格为10mL的平口针头注射器，注射器针头的内径为0.7mm，进料速度0.5～2mL/h，施加电压为15～25kV，收集器转速为200～400r/min，注射针头与收集器之间的距离为15～20cm。
7.如权利要求2所述的用于膜蒸馏的PcH/CN纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2)的静电纺丝过程中控制温度为20～30℃，湿度为20～45％RH；喷丝头在静电纺丝过程中沿滑台水平往复移动，移动速度为1～2cm/s。
8.如权利要求2所述的用于膜蒸馏的PcH/CN纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中真空干燥的温度为60～80℃，时间为8～12小时。压力为0.2～0.4kPa；所述热压的温度为140～160℃，热压时间为2～5小时。
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