CN111001298A - 一种改性反渗透膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种纳米粘土颗粒掺混和小分子原位接枝的改性反渗透膜，其技术特性在于：将纳米粘土颗粒、致孔剂、聚合物加入N‑甲基吡咯烷酮中混合得到铸膜液，通过浸渍‑沉淀相转化法制得反渗透膜基膜；在基膜表面涂覆水相溶液和油相溶液，通过界面聚合得到反渗透膜；在反渗透膜表面原位接枝小分子得到改性反渗透膜；本方法制备的反渗透膜在保证水通量的同时具有优异的抗污染性、截盐率和机械强度，使用寿命提高，性能衰减率降低，并且添加剂价格低廉易获得，适合商业化生产。

Description

一种改性反渗透膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种改性反渗透膜的制备方法，特别涉及纳米粘土颗粒掺混和小分子原位接枝改性制备反渗透膜的方法，属于分离膜制造领域。
背景技术
淡水资源短缺是人类目前面临的重大问题之一。膜分离技术作水处理时，具有运行成本低，低能耗，高脱盐率等优点，反渗透膜广泛用于海水淡化和废液回收，创造了巨大的经济效益。但是，由于膜材料易被污染，反渗透膜的脱盐率和水通量随着使用大大降低，化学清洗频率增加，增加了反渗透膜的运行成本，缩短了其使用寿命。
常用的合成超滤的材料为疏水性材料，在使用时容易结垢，并且会对后续纳滤、反渗透的性能产生影响。解决方法是在膜表面接枝或涂覆亲水性表层，或者在铸膜液中加入水凝胶颗粒。第二种方法优势在于可以直接纳入现有的工业规模的膜生产线中。另外，反渗透膜的脱盐层在工作时，污水中的有机物分子、无机离子、胶体和微生物通过与膜表面产生一系列反应，导致膜孔堵塞，膜性能衰退。目前，反渗透膜抗污染改性的方法有表面涂覆、表面接枝、沉积多层带相反电荷的薄膜、有机无机杂化改性等。表面接枝不会降低聚酰胺层的交联度，且具有良好的化学稳定性，被认为是同时获得高通量和高脱盐率的有效方法。
纳米粘土颗粒（CN）是一种层状硅酸盐纳米颗粒，具有分散性、膨胀性、吸水性和价格低廉的特点，可用作添加剂改善基膜的亲水性和抗污性，并提高基膜的机械强度。ASA、PIP均为亲水性小分子，接枝到反渗透膜表面会提高膜面亲水性而不会增加渗透阻力。
发明内容
为了提高反渗透膜的抗污染性，本发明的主要目的是提供一种纳米粘土颗粒掺混和小分子原位接枝改性制备反渗透膜的方法。
本发明的技术方案是：
（1）制备纳米粘土颗粒、致孔剂和聚合物混合溶液
室温下，在N-甲基吡咯烷酮（NMP）中先加入致孔剂并搅拌15min，再加入纳米颗粒并搅拌15min，最后加入聚合物，混合溶液以120rpm的转速搅拌24h后，静置脱泡，最终制得铸膜液。
（2）反渗透膜基膜的制备
用自动涂膜器将制得的铸膜液涂到无纺布上，刮膜后浸入水中进行凝固浴，通过浸渍-沉淀相转化法制得反渗透膜基膜，放入去离子水中待用。
（3）反渗透膜的制备
取基膜垂直阴干后，在表面涂覆水相溶液，垂直阴干后，再涂覆油相溶液进行界面聚合反应，倒出溶液并放入60℃烘箱干燥10min，制得反渗透膜，放入去离子水中待用。
（4）反渗透膜的表面改性
在MES缓冲溶液中加入0.05w/v.%SDS作表面活性剂，TEA为缚酸剂，用HCl将溶液pH调为4.0，将制得的的反渗透膜在溶液中浸泡5h；用去离子水冲洗后，在浸泡后的反渗透膜表面倒上一定浓度的小分子水溶液反应；用去离子水冲洗，得到改性反渗透膜。
所述纳米粘土颗粒为一种有机单片蒙脱石，在制备多孔支撑层溶液中浓度为1wt.% - 5wt.%。
所述致孔剂为PEO、PVP、PEG、甘油或二元醇中的一种，在制备多孔支撑层溶液中浓度为1wt.% - 5wt.%。
所述聚合物为聚醚砜、聚砜或聚偏氟乙烯中的一种，在制备多孔支撑层溶液中浓度为15wt.% - 20wt.%。
所述水相溶液为间苯二胺、对苯二胺或苯二甲基二胺中的一种，在水相溶液中的浓度为1wt.% - 5wt.%，5.油相溶液为均苯三甲酰氯、邻苯二甲酰氯、对苯二甲酰氯或间苯二甲酰氯中的一种，在油相溶液中的浓度为0.02wt.% - 0.2wt.%，油相溶液的溶剂为正己烷、环己烷、正庚烷、Isopar G中的一种。
所述小分子水溶液为ASA、PIP中的一种。
本发明提供一种纳米粘土颗粒和小分子接枝改性反渗透膜的制备方法，与传统反渗透膜相比，其优势在于：
（1）具有抗污染、制造成本低、生产工序简单、截盐率高的优点，适合商业化规模生产；
（2）纳米粘土颗粒的加入，减少成膜的缺陷率，提高基膜的亲水性，并且有利于膜清洗后恢复通量；
（3）亲水性小分子接枝到反渗透膜表面，在提高亲水性的时不会增加渗透阻力，从而保证膜的水通量的同时提高抗污染性。
附图说明
图1为本发明改性反渗透膜的结构示意图。其中，1为改性脱盐层，2为纳米粘土颗粒，3为聚合物层。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
在N-甲基吡咯烷酮加入浓度为1.5wt.%的有机单片蒙脱石、5wt.%的PEO、18wt.%的聚醚砜，溶解后静置脱泡得到铸膜液；用自动涂膜器将制得的铸膜液涂到无纺布上，刮膜后浸入水中进行凝固浴，通过浸渍-沉淀相转化法制得反渗透膜基膜；取基膜垂直阴干后，在表面涂覆2wt.%的间苯二胺溶液，垂直阴干后，再涂覆0.08wt.%的均苯三甲酰氯溶液进行界面聚合反应，倒出溶液并放入60℃烘箱干燥10min，制得反渗透膜；在MES缓冲溶液中加入0.05w/v.%SDS作表面活性剂，TEA为缚酸剂，用HCl将溶液pH调为4.0，将制得的的反渗透膜在溶液中浸泡5h；用去离子水冲洗后，在浸泡后的反渗透膜表面倒上0.03mol/L的ASA水溶液反应；用去离子水冲洗，得到改性反渗透膜。
实施例2
在N-甲基吡咯烷酮加入浓度为4.5wt.%的有机单片蒙脱石、5wt.%的PEO、18wt.%的聚醚砜，溶解后静置脱泡得到铸膜液；用自动涂膜器将制得的铸膜液涂到无纺布上，刮膜后浸入水中进行凝固浴，通过浸渍-沉淀相转化法制得反渗透膜基膜；取基膜垂直阴干后，在表面涂覆2wt.%的间苯二胺溶液，垂直阴干后，再涂覆0.08wt.%的均苯三甲酰氯溶液进行界面聚合反应，倒出溶液并放入60℃烘箱干燥10min，制得反渗透膜；在MES缓冲溶液中加入0.05w/v.%SDS作表面活性剂，TEA为缚酸剂，用HCl将溶液pH调为4.0，将制得的的反渗透膜在溶液中浸泡5h；用去离子水冲洗后，在浸泡后的反渗透膜表面倒上0.03mol/L的ASA水溶液反应；用去离子水冲洗，得到改性反渗透膜。
实施例3
在N-甲基吡咯烷酮加入浓度为1.5wt.%的有机单片蒙脱石、5wt.%的PEO、20wt.%的聚砜，溶解后静置脱泡得到铸膜液；用自动涂膜器将制得的铸膜液涂到无纺布上，刮膜后浸入水中进行凝固浴，通过浸渍-沉淀相转化法制得反渗透膜基膜；取基膜垂直阴干后，在表面涂覆2wt.%的间苯二胺溶液，垂直阴干后，再涂覆0.08wt.%的均苯三甲酰氯溶液进行界面聚合反应，倒出溶液并放入60℃烘箱干燥10min，制得反渗透膜；在MES缓冲溶液中加入0.05w/v.%SDS作表面活性剂，TEA为缚酸剂，用HCl将溶液pH调为4.0，将制得的的反渗透膜在溶液中浸泡5h；用去离子水冲洗后，在浸泡后的反渗透膜表面倒上0.03mol/L的ASA水溶液反应；用去离子水冲洗，得到改性反渗透膜。
实施例4
在N-甲基吡咯烷酮加入浓度为1.5wt.%的有机单片蒙脱石、5wt.%的PEO、18wt.%的聚醚砜，溶解后静置脱泡得到铸膜液；用自动涂膜器将制得的铸膜液涂到无纺布上，刮膜后浸入水中进行凝固浴，通过浸渍-沉淀相转化法制得反渗透膜基膜；取基膜垂直阴干后，在表面涂覆水相溶液，垂直阴干后，再涂覆油相溶液进行界面聚合反应，倒出溶液并放入60℃烘箱干燥10min，制得反渗透膜；在MES缓冲溶液中加入0.05w/v.%SDS作表面活性剂，TEA为缚酸剂，用HCl将溶液pH调为4.0，将制得的的反渗透膜在溶液中浸泡5h；用去离子水冲洗后，在浸泡后的反渗透膜表面倒上0.05mol/L的PIP水溶液反应；用去离子水冲洗，得到改性反渗透膜。
对照组1
在N-甲基吡咯烷酮加入5wt.%的PEO、18wt.%的聚砜，溶解后静置脱泡得到铸膜液；用自动涂膜器将制得的铸膜液涂到无纺布上，刮膜后浸入水中进行凝固浴，通过浸渍-沉淀相转化法制得反渗透膜基膜；取基膜垂直阴干后，在表面涂覆2wt.%的间苯二胺溶液，垂直阴干后，再涂覆0.08wt.%的均苯三甲酰氯溶液进行界面聚合反应，倒出溶液并放入60℃烘箱干燥10min，制得反渗透膜。
对照组2
在N-甲基吡咯烷酮加入浓度为1.5wt.%的有机单片蒙脱石、5wt.%的PEO、18wt.%的聚砜，溶解后静置脱泡得到铸膜液；用自动涂膜器将制得的铸膜液涂到无纺布上，刮膜后浸入水中进行凝固浴，通过浸渍-沉淀相转化法制得反渗透膜基膜；取基膜垂直阴干后，在表面涂覆2wt.%的间苯二胺溶液，垂直阴干后，再涂覆0.08wt.%的均苯三甲酰氯溶液进行界面聚合反应，倒出溶液并放入60℃烘箱干燥10min，制得反渗透膜。
对照组3
在N-甲基吡咯烷酮加入浓度为5wt.%的PEO、18wt.%的聚砜，溶解后静置脱泡得到铸膜液；用自动涂膜器将制得的铸膜液涂到无纺布上，刮膜后浸入水中进行凝固浴，通过浸渍-沉淀相转化法制得反渗透膜基膜；取基膜垂直阴干后，在表面涂覆2wt.%的间苯二胺溶液，垂直阴干后，再涂覆0.08wt.%的均苯三甲酰氯溶液进行界面聚合反应，倒出溶液并放入60℃烘箱干燥10min，制得反渗透膜；在MES缓冲溶液中加入0.05w/v.%SDS作表面活性剂，TEA为缚酸剂，用HCl将溶液pH调为4.0，将制得的的反渗透膜在溶液中浸泡5h；用去离子水冲洗后，在浸泡后的反渗透膜表面倒上0.03mol/L的ASA水溶液反应；用去离子水冲洗，得到改性反渗透膜。
取实施例1-3和对照组1-3中得到的相同面积的改性反渗透膜，测试液为2000ppm的NaCl水溶液，25℃、压力1.55MPa下测量其水通量、脱盐率，以及运行120小时后膜性能的变化。实验结果见表1。
Figure 510540DEST_PATH_IMAGE001
以上所述只是本发明的优选实施方式，并非用来限定本发明的实施范围，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种改性反渗透膜的制备方法，其特征在于：它的多孔支撑层由聚合物、纳米粘土颗粒和致孔剂合成，在基膜表面水相溶液和油相溶液界面聚合反应生成具有交联网络结构的功能层，并对制得的反渗透膜小分子接枝改性。
2.如权利要求1所述的一种改性反渗透膜的制备方法，其特征在于纳米粘土颗粒是一种有机单片蒙脱石，在制备多孔支撑层溶液中浓度为1wt.% - 5wt.%。
3.如权利要求1所述的一种改性反渗透膜的制备方法，其特征在于聚合物为聚醚砜、聚砜或聚偏氟乙烯中的一种，在制备多孔支撑层溶液中浓度为15wt.% - 20wt.%。
4.如权利要求1所述的一种改性反渗透膜的制备方法，其特征在于致孔剂为PEO、PVP、PEG、甘油或二元醇中的一种，在制备多孔支撑层溶液中浓度为1wt.% - 5wt.%。
5.如权利要求1所述的一种改性反渗透膜的制备方法，其特征在于水相溶液为间苯二胺、对苯二胺或苯二甲基二胺中的一种，在水相溶液中的浓度为1wt.% - 5wt.%，油相溶液为均苯三甲酰氯、邻苯二甲酰氯、对苯二甲酰氯或间苯二甲酰氯中的一种，在油相溶液中的浓度为0.02wt.% - 0.2wt.%，油相溶液的溶剂为正己烷、环己烷、正庚烷、Isopar G中的一种。
6.如权利要求1所述的一种改性反渗透膜的制备方法，其特征在于对反渗透膜接枝小分子改性包括以下步骤：
在MES缓冲溶液中加入0.05w/v.%SDS作表面活性剂，TEA为缚酸剂，用HCl将溶液pH调为4.0，将制得的的反渗透膜在溶液中浸泡5h；
用去离子水冲洗（1）中得到的反渗透膜；
将（2）中得到的反渗透膜表面倒上一定浓度的DEA水溶液反应；
用去离子水冲洗（3）中得到的改性反渗透膜。
7.如权利要求1所述的一种改性反渗透膜的制备方法，其特征在于小分子为ASA、PIP中的一种。
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