CN110523282A - 一种UiO-66复合正渗透膜及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种UiO‑66复合正渗透膜及其制备和应用。该渗透膜包括:多孔UiO‑66/PSF支撑层,聚酰胺活性层,以及聚酰胺活性层表面依次附着的聚多巴胺层、聚乙烯亚胺层、UiO‑66层和聚丙烯酸层。该制备方法包括:将配制的UiO‑66和PSF纺丝液进行静电纺丝,得到PET纺布承载UiO‑66/PSF纳米纤维基膜;然后将膜表面浸入间苯二胺水溶液中,将均苯三甲酰氯溶液倒在膜表面上并保持干燥,将得到的复合正渗透膜预处理后,依次浸泡在多巴胺溶液、PEI溶液、UiO‑66溶液、PAA溶液中。该渗透膜表现出亲水性强、水通量高、盐返混通量低的特点,且对几种典型重金属和抗生素废水表现出较好的截留性能。
Description
技术领域
本发明属于正渗透膜及其制备和应用领域,特别涉及一种UiO-66复合正渗透膜及其制备方法和应用。
背景技术
废水中微量的重金属和抗生素难以降解,且容易造成污染,对水生动植物和人类健康潜在危害较大,常规处理方法对其去除效率低,亟需寻找新的方法高效去除重金属和抗生素。
正渗透(Forward Osmosis,FO)膜技术是近年来研究较多的一种膜技术,因其低能耗和抗污染的性能,应用前景广。UiO-66材料基于其自身在吸附方面的优良性能,近年来也被用于膜研究方向,对正渗透膜的性能有所提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种UiO-66复合正渗透膜及其制备方法和应用,以克服现有技术中正渗透膜的渗透性能、吸附截留能力不够等缺陷。
本发明提供了一种UiO-66复合正渗透膜,所述渗透膜包括:多孔UiO-66/PSF支撑层,聚酰胺活性层,以及所述聚酰胺活性层表面依次附着的聚多巴胺层、聚乙烯亚胺层、UiO-66层和聚丙烯酸层,其中聚酰胺活性层在多孔UiO-66/PSF支撑层的表面。
本发明还提供一种UiO-66复合正渗透膜的制备方法,包括以下步骤:
(1)将UiO-66加入到N,N-二甲基甲酰胺DMF中,超声分散,然后再加入1-甲基-2吡咯烷酮NMP和PSF,搅拌溶解,得到均相的纺丝液,静电纺丝,得到PET无纺布承载UiO-66/PSF纳米纤维基膜;
(2)将步骤(1)中的PET无纺布承载UiO-66/PSF纳米纤维基膜表面浸入在间苯二胺MPD水溶液中,除去膜表面过量溶液,将均苯三甲酰氯TMC的Isopar-G溶液倒在膜表面上并保持干燥;得到复合正渗透膜;
(3)将步骤(2)中复合正渗透膜预处理后,浸泡在多巴胺溶液中,得到载入了聚多巴胺层的正渗透膜;
(4)将步骤(3)中载入了聚多巴胺层的正渗透膜依次浸泡在PEI溶液、UiO-66溶液、PAA溶液中,每次浸泡后用去离子水清洗膜,得到UiO-66复合正渗透膜。
所述步骤(1)中UiO-66质量分数为0.1~1wt.%,PSF质量浓度为15-28wt.%。
所述步骤(1)中超声处理时间为1~2h;确保UiO-66颗粒良好分散。
所述步骤(1)中搅拌溶解温度为25~65℃,搅拌溶解时间为4~8h。
所述步骤(1)中DMF与NMP的体积比为7/3~8/2。
所述步骤(1)中静电纺丝的条件为:采用规格为10~20ml的无菌注射器,纺丝电压为15~25KV,推进速度为0.5~1.5ml/h,注射器到收集器的距离为12~15cm,相对湿度为25~35%,温度为25~30℃。
所述步骤(2)中MPD水溶液的质量浓度为2~3wt%;TMC的Isopar-G溶液的质量浓度为0.1~0.15wt%。
所述步骤(2)中浸入和保持时间为1~2min。
所述步骤(2)中干燥温度为75~85℃,干燥时间为8~10min,干燥是为了提高聚酰胺层的交联度。
所述步骤(2)中除去膜表面过量溶液是用鼓风机。
所述步骤(3)中将步骤(2)中复合正渗透膜预处理为:将复合正渗透膜置于去离子水中浸泡20~30h,并超声处理25~35min,以此去除膜表面的杂质。
所述步骤(3)中浸泡时间为18~25h。
所述步骤(3)中多巴胺溶液的浓度为1.5~2.5mg/mL,溶剂为0.1~0.2mol/L的Tris-HCl缓冲溶液,pH为8~9。
所述步骤(4)中PEI溶液浓度为0.8-1.5g/L。
所述步骤(4)中UiO-66溶液浓度为0.1-1.0%w/v(优选0.5%w/v),溶剂为甲醇。
所述步骤(4)中PAA溶液浓度为0.8-1.5g/L。
所述步骤(4)中浸泡时间为0.5~1h。
所述步骤(1)和(4)中UiO-66的制备方法包括:将无水氯化锆和对苯二甲酸以质量比1.1~1.5溶解在N,N-二甲基甲酰胺中,搅拌4~6min,115~125℃溶剂热反应20~25h,冷却,抽滤,即得,其中无水氯化锆与N,N-二甲基甲酰胺的比例为0.2~0.3g:40~50mL。
所述UiO-66用甲醇进行纯化,去除没有反应却吸附在孔道上的对苯二甲酸。将UiO-66粉末全部转移到锥形瓶中,分批加入甲醇,连续震荡一个小时。将混合溶液抽滤,得到白色粉末在120℃的烘箱内真空干燥一夜,最后再研磨过筛,即为UiO-66。
所述步骤(4)中将步骤(3)中载入了聚多巴胺层的正渗透膜依次浸泡在PEI溶液、UiO-66溶液、PAA溶液中为:将载入了聚多巴胺层的正渗透膜夹在模具中,先倒入PEI溶液,反应后倒掉PEI溶液并用去离子水清洗;待膜半干后将UiO-66溶液倒入,反应后再倒掉并用去离子水清洗;待膜半干后再倒入PAA溶液,反应后同样倒掉并用去离子水清洗。
本发明还提供一种UiO-66复合正渗透膜在废水处理中的应用。例如用于重金属和抗生素废水处理。
所述用于废水处理过程中主要有两种,分别为模拟废水和印染废水(处理时间为2h,模拟废水分别由锑标准溶液、铬标准溶液和四环素(TC)配制而成,印染废水取自是吴江盛虹化纤有限公司的印染废水经生物处理后的出水),模拟废水中锑、铬和四环素的浓度均为500μg/L,印染废水中锑的浓度为300μg/L,铬的浓度为50μg/L,四环素的浓度为100μg/L;汲取液为NaCl溶液,NaCl溶液的浓度为1mol/L。
本发明中膜是基于层层自组装技术制备的UiO-66复合正渗透膜,具备亲水性能好、渗透性能强以及吸附截留能力显著的优点,表现出较好的分离性能。本发明膜中UiO-66材料与膜的兼容性良好。聚酰胺活性层可提高正渗透膜对重金属和抗生素的吸附能力,聚多巴胺层可提高膜表面的稳定性的同时可提高膜的水通量和对重金属和抗生素的截留率。
有益效果
本发明通过UiO-66材料组成的复合正渗透膜,表现出亲水性强、水通量高、盐返混通量低的特点,且对几种典型重金属和抗生素废水表现出较好的截留性能。
附图说明
图1为复合正渗透膜的SEM图,其中,(a)为UiO-66/PSF支撑层平面图(10K),(b)UiO-66复合正渗透膜的剖面图(1K)。
图2为本发明层层自组装原理图。
图3为实施例1制备得到的UiO-66复合正渗透膜的水通量及盐返混通量随时间的变化图。
图4为实施例1制备得到的UiO-66复合正渗透膜对几种典型重金属和抗生素(铬、锑、四环素TC)的截留率图。
图5为实施例1制备得到的UiO-66复合正渗透膜处理模拟废水的水通量及盐返混通量随时间的变化图。
图6为实施例1制备得到的UiO-66复合正渗透膜处理印染废水的水通量随时间的变化图。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)UiO-66的制备:UiO-66用溶剂热法制备,先把0.2332g无水氯化锆和0.1661g对苯二甲酸溶解在50mL的N,N-二甲基甲酰胺溶液中,并搅拌5分钟,然后转移到100mL聚四氟乙烯内衬的反应釜中,盖上盖子,在温度为120℃的烘箱内反应24小时。反应结束,冷却至室温,抽滤之后得到白色粉末状物质UiO-66。此外用甲醇对所得材料进行纯化,去除没有反应却吸附在孔道上的对苯二甲酸。将粉末全部转移到锥形瓶中,分批加入甲醇(50mL),连续震荡一个小时。将混合溶液抽滤,得到白色粉末在120℃的烘箱内真空干燥一夜,最后再研磨过筛,即为实验所需的UiO-66,将最终得到的UiO-66粉末存于真空干燥箱中待用。
(2)复合正渗透膜的制备:将0.0659g UiO-66加入到7ml N,N-二甲基甲酰胺DMF中,超声分散2h,然后再加入3ml 1-甲基-2吡咯烷酮NMP和3.422g PSF,在温度60℃的磁力搅拌器上高速搅拌6h,得到均相的纺丝液,然后采用规格为10ml的无菌注射器,纺丝电压为25KV,推进速度为1ml/h,注射器到收集器的距离为15cm,相对湿度为30%,温度为25℃的条件进行静电纺丝,最后得到PET无纺布承载UiO-66/PSF纳米纤维基膜;将PET无纺布承载UiO-66/PSF纳米纤维基膜表面浸入在2%的间苯二胺MPD水溶液中120s,除去膜表面过量溶液,再将0.15%的均苯三甲酰氯TMC的Isopar-G溶液倒在膜表面上60s,而后在85℃条件下干燥10min;得到复合正渗透膜。
(3)UiO-66复合膜的制备:①首先对复合正渗透膜进行预处理,将正渗透膜在去离子水中浸泡24小时,并超声处理30分钟;②然后将预处理的正渗透膜浸泡在多巴胺溶液(50mL)中(多巴胺溶解在0.1mol/L的Tris-HCl缓冲溶液中,多巴胺浓度为2mg/mL,并调节pH至8.5)20小时;③载入了聚多巴胺层的正渗透膜固定在模具夹上,然后倒入1g/L的PEI溶液(50mL)浸泡1小时后,倒掉并用去离子水清洗;④待膜表面半干后,倒入UiO-66的甲醇溶液(50mL)(UiO-66的载入量0.5%(w/v))浸泡0.5小时,然后倒掉,并用去离子水清洗;⑤待膜半干后,倒入1g/L的PAA溶液(50mL)浸泡0.5小时后倒掉并用去离子水清洗膜表面。
对本实施例制备得到的UiO-66复合正渗透膜进行表征与性能测试。水通量及盐返混通量测试过程中原料液为去离子水,汲取液为0.5mol/L的NaCl溶液。恒流泵提供水流的动力,采用错流方式使水循环流动,错流速度为60L/h。
本实施例制备得到的UiO-66复合正渗透膜用于模拟废水以及印染废水处理(处理时间为2h,模拟废水分别由锑标准溶液、铬标准溶液和四环素(TC)配制而成,印染废水取自是吴江盛虹化纤有限公司的印染废水经生物处理后的出水),模拟废水中锑、铬和四环素的浓度均为500μg/L,印染废水中锑的浓度为300μg/L,铬的浓度为50μg/L,四环素的浓度为100μg/L;汲取液为浓度0.5mol/L的NaCl溶液。
图1表明:从(a)图中可以发现UiO-66被成功加入到静电纺丝纳米纤维膜中,(b)图中可以发现,UiO-66颗粒附着在膜的活性层表面。
图2表明:基于正负电荷相吸引的原理,UiO-66颗粒通过PEI和PAA溶液被固定在膜表面。
图3表明:所制复合正渗透膜水通量可以稳定在15L/(㎡·h)上下,同时可以保持较低的盐返混通量。
图4表明:所制复合正渗透膜对典型重金属和四环素TC均具有良好的截留效果,截留率可达99%%以上。
图5表明:所制复合正渗透膜处理模拟的锑和铬混合废水时,经过2h的处理后,其水通量保持在13.5L/(㎡·h),盐返混通量保持在7.2g/(㎡·h)。
图6表明:所制复合正渗透膜处理实际的印染废水时,经过2h的处理后,其水通量保持在11.5L/(㎡·h),由于实验过程中实际废水的电导率数值极大,故无法得到准确的Js的变化曲线。
Claims (10)
1.一种UiO-66复合正渗透膜,其特征在于,所述渗透膜包括:多孔UiO-66/聚砜PSF支撑层,聚酰胺活性层,以及所述聚酰胺活性层表面依次附着的聚多巴胺层、聚乙烯亚胺层、UiO-66层和聚丙烯酸层,其中聚酰胺活性层在多孔UiO-66/PSF支撑层的表面。
2.一种UiO-66复合正渗透膜的制备方法,包括以下步骤:
(1)将UiO-66加入到N,N-二甲基甲酰胺DMF中,超声分散,然后再加入1-甲基-2吡咯烷酮NMP和PSF,搅拌溶解,得到纺丝液,静电纺丝,得到PET无纺布承载UiO-66/PSF纳米纤维基膜;其中纺丝液中UiO-66质量分数为0.1~1wt%,PSF质量浓度为15-28wt%;
(2)将步骤(1)中的PET无纺布承载UiO-66/PSF纳米纤维基膜表面浸入间苯二胺MPD水溶液中,除去膜表面过量溶液,将均苯三甲酰氯TMC的Isopar-G溶液倒在膜表面上并保持干燥;得到复合正渗透膜;
(3)将步骤(2)中复合正渗透膜预处理后,浸泡在多巴胺溶液中,得到载入了聚多巴胺层的正渗透膜;
(4)将步骤(3)中载入了聚多巴胺层的正渗透膜依次浸泡在PEI溶液、UiO-66溶液、PAA溶液中,每次浸泡后用去离子水清洗膜,得到UiO-66复合正渗透膜。
3.根据权利要求2所述方法,其特征在于,所述步骤(1)中超声处理时间为1~2h;搅拌溶解温度为25~65℃,搅拌溶解时间为4~8h;N,N-二甲基甲酰胺与NMP的体积比为7/3~8/2。
4.根据权利要求2所述方法,其特征在于,所述步骤(1)中静电纺丝的条件为:采用规格为10~20ml的无菌注射器,纺丝电压为15~25KV,推进速度为0.5~1.5ml/h,注射器到收集器的距离为12~15cm,相对湿度为25~35%,温度为25~30℃。
5.根据权利要求2所述方法,其特征在于,所述步骤(2)中MPD水溶液的质量浓度为2~3wt%;TMC的Isopar-G溶液的质量浓度为0.1~0.15wt%;浸入和保持时间为1~2min;干燥温度为75~85℃,干燥时间为8~10min。
6.根据权利要求2所述方法,其特征在于,所述步骤(3)中将步骤(2)中复合正渗透膜预处理为:将复合正渗透膜置于去离子水中浸泡20~30h,并超声处理25~35min;浸泡时间为18~25h。
7.根据权利要求2所述方法,其特征在于,所述步骤(3)中多巴胺溶液的浓度为1.5~2.5mg/mL,溶剂为0.1~0.2mol/L的Tris-HCl缓冲溶液,pH为8~9。
8.根据权利要求2所述方法,其特征在于,所述步骤(4)中PEI溶液浓度为0.8-1.5g/L;UiO-66溶液浓度为0.1-1.0%w/v,溶剂为甲醇;PAA溶液浓度为0.8-1.5g/L;浸泡时间为0.5~1h。
9.根据权利要求2所述方法,其特征在于,所述步骤(1)和(4)中UiO-66的制备方法包括:将无水氯化锆和对苯二甲酸以质量比1.1~1.5溶解在N,N-二甲基甲酰胺中,搅拌4~6min,115~125℃溶剂热反应20~25h,冷却,抽滤,即得,其中无水氯化锆与N,N-二甲基甲酰胺的比例为0.2~0.3g:40~50mL。
10.一种如权利要求1所述渗透膜在废水处理中的应用。
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GR01 | Patent grant | ||
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