CN111001317B - 一种高通量高选择性复合纳滤膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高通量高选择性新型复合纳滤膜及其制备方法,所述的方法为:首先,将端羧基的两亲性超支化聚酯酰氯化,得到超支化聚酯酰氯;其次,分别将聚砜支撑膜依次浸泡于哌嗪水相溶液和均苯三甲酰氯、超支化聚酯酰氯组成的混合有机油相溶液中,通过界面聚合反应将超支化分子引入聚酰胺分离层中,制备得到高通量高选择性新型复合纳滤膜。本发明所制备的新型复合纳滤膜,较之传统工艺,其水通量和一价/高价盐的选择性均得到大幅度提高,且选用的超支化聚酯的合成原料便宜,过程简单易控。

Description

一种高通量高选择性复合纳滤膜及其制备方法
(一)技术领域
本发明涉及膜分离技术领域,尤其涉及一种高通量高选择性新型复合纳滤膜及其制备方法。
(二)背景技术
纳滤是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程,一般认为,纳滤膜的孔径在0.5-2.0nm之间,截留分子量在200-2000Da之间。目前商业化的纳滤膜主要由多孔支撑层和选择性致密层组成,膜的分离性能主要取决于在界面聚合过程合成的选择性致密层的性质,而界面聚合涉及多元胺和多元酰氯两种单体间的缩聚反应,由此在两种不混溶的溶剂界面处立即生成超薄聚合物膜。由于膜的溶质选择性和溶剂渗透性之间存在固有的“Trade-off”效应,已有大量研究表明,界面聚合期间在两相单体溶液中引入具有纳米分子通道的材料,所制备得到的新型复合纳滤膜,在协同提升膜的渗透性和选择性方面具有较大潜力。
中国专利CN106076132B公开了一种氧化石墨烯改性聚酰胺复合纳滤膜及其制备方法,相较于传统界面聚合,在油相溶液中加入氧化石墨烯或改性氧化石墨烯以及助溶剂,可以使超薄的活性聚酰胺层中间夹着有序排列的氧化石墨烯或改性氧化石墨烯片层的结构,进而提高通量。此外,中国专利 CN107126845A公开了一种改性碳纳米管和复合纳滤膜及其制备方法,它是将改性碳纳米管通过界面聚合法原位负载到活性层中,提高了其通量、亲水性及抗污染性。但是类似于石墨烯、碳纳米管等无机材料普遍存在与聚酰胺基质间界面相容性差的问题,因而在界面聚合期间容易产生缺陷。而有机聚合物如超支化分子与聚合物基质有着更好的相容性,且结构易于调控,使其相较于无机材料有着独特的优势。
(三)发明内容
本发明的目的是提供一种高通量高选择性新型复合纳滤膜及其制备方法,所述的复合纳滤膜是通过一种贯穿型两亲性超支化聚酯酰氯(HPE-COCl)经界面聚合反应引入到膜的聚酰胺分离层中,由于具有长链的亲水性聚乙二醇嵌段 (PEG),以及疏水性1,2,4-苯三甲酸嵌段,可以调控哌嗪分子和酰氯分子的扩散速率,影响发生于油、水两相界面的缩聚反应,进而影响膜的表面形貌与分离性能。另一方面,由于HPE-COCl以分子水平引入到纳滤膜中,由于该分子内部具有交替的亲水和疏水相,在水中这些亲水和疏水相会发生分子内的相分离,从而形成多个基于PEG单元的亲水通道和基于苯甲酯单元的疏水微区,这些分子内的通道和微相分离结构会通过毛细作用力,有利于水分子的快速传输,从而提高膜的水渗透通量。
本发明提出在界面聚合期间引入超支化聚酯(HPE),制备一种高通量高选择性新型复合纳滤膜。
一种高通量高选择性新型复合纳滤膜按照如下方法进行制备:
(1)将端羧基树枝状超支化聚酯(HPE)置于二氯亚砜溶液中,在60-80℃下反应8-24h反应,得到超支化聚酯酰氯(HPE-COCl);
(2)将步骤(1)中得到的HPE-COCl和均苯三甲酰氯溶解于混合有机溶剂中,制得油相溶液;
(3)将聚砜支撑膜光面浸泡于浓度为1-30g/L哌嗪水相溶液中1-10min,取出,去除膜表面多余溶液并晾干;
(4)将步骤(3)得到的聚砜支撑膜浸泡于步骤(2)得到的油相溶液中5-60 s,进行界面聚合反应,取出,去除膜表面多余溶液并晾干;
(5)将步骤(4)得到的膜在40-80℃下固化交联0-10min(可取0),经去离子水浸泡洗涤后,得到所述新型复合纳滤膜。
进一步,步骤(1)中,所述的端羧基树枝状超支化聚酯的加入量以所述的二氯亚砜的体积计为10-100g/L。
进一步,步骤(2)中,所述的HPE-COCl的加入量以所述的混合有机溶剂的体积计为0.01-5g/L。
进一步,步骤(2)中,所述的均苯三甲酰氯的加入量以所述的混合有机溶剂的体积计为0.5-3g/L。
作为优选,步骤(2)中,所述的混合有机溶剂由主溶剂和助溶剂组成,所述的主溶剂为正己烷、正庚烷、环己烷、正癸烷和Isopar G中的一种,所述的助溶剂为四氢呋喃、乙酸乙酯、二氯乙烷、三氯乙烷、氯仿、乙醚或丙酮中的任意一种或任意几种,所述的混合有机溶剂中,助溶剂的体积含量为2-40%。
作为优选,步骤(3)中,所述的哌嗪水相溶液的pH控制在10-12,所述的 pH通过加入磷酸钠进行调节。
本发明所述的高通量高选择性新型复合纳滤膜应用于一价/多价盐分离。
进一步,所述的一价盐为氯化钠、氯化锂或氯化钾;所述的多价盐为硫酸钠、硫酸镁、氯化铜、氯化铬、氯化镉、氯化铁、硝酸铅或硝酸镍。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
本发明制备得到的新型复合纳滤膜,简单地通过界面聚合引入具有高密度端官能团的两亲性超支化聚酯,形成高效的传输通道,从而提高膜的通量和选择性。本发明选用的树枝状超支化分子的合成原料便宜,合成过程简单易控,且新型复合纳滤膜的制备过程简洁,为其进一步应用和推广提供了可能。
(四)附图说明
图1为对比例1膜的断面TEM图;
图2为实施例4膜的断面TEM图。
(五)具体实施方式
下面结合具体实施例,对本发明加以详细描述,但本发明并不限于下述实施例,在不脱离本发明内容和范围内,变化实施都应包含在本发明的技术范围内。
本发明所述的聚砜支撑膜购自湖南沁森高科新材料有限公司,型号为NF1,相对截留分子量约为20000Da,原料端羧基树枝状超支化聚酯(HPE)由上海交通大学周永丰课题组提供,型号为HBPEs-600,相关参数可参考课题组文献 [李天亮,李天亮,韩生,蔺华林,周永丰.两亲性芳香族超支化聚酯的合成、表征及自组装研究[J].有机化学,2015,35(12):2655-2659.]。
实施例1:
将2g端羧基树枝状超支化聚酯(HPE)置于50mL二氯亚砜溶液中,在 80℃下反应20h反应,得到超支化聚酯酰氯(HPE-COCl);而后,将0.01g HPE-COCl和0.25g均苯三甲酰氯溶解于100mL由四氢呋喃和正己烷组成的混合有机溶剂中,制得油相溶液,其中混合溶剂中四氢呋喃的体积含量为10%;而后,将尺寸为15×15cm2的聚砜支撑膜光面浸泡于100mL浓度为20g/L,pH 为11.23的哌嗪水相溶液中2min,取出,去除膜表面多余溶液并晾干;再将其浸泡于100mL油相溶液中40s,进行界面聚合反应,取出,去除膜表面多余溶液并晾干;随后,将膜置于60℃烘箱中固化交联5min,经去离子水浸泡洗涤后,得到所述新型复合纳滤膜。
实施例2-4:
实施例2-4的HPE-COCl的加入量分别变成0.04g,0.07g和0.1g,其他条件同实施例1。
制得的新型复合纳滤膜在25℃,0.8Mpa的压力下,对于纯水、1000ppm 的硫酸钠、1000ppm氯化钠的分离测试结果如下表所示:
Figure BDA0002303977680000051
实施例5:
实施例5的混合有机溶剂变成由乙酸乙酯和正己烷组成,且混合溶剂中乙酸乙酯的体积含量为10%,其他条件同实施例1。
实施例6-8:
实施例6-8的HPE-COCl的加入量分别变成0.04g,0.07g和0.1g,其他条件同实施例5。
制得的新型复合纳滤膜在25℃,0.8Mpa的压力下,对于纯水、1000ppm 的氯化铁、1000ppm氯化钠的分离测试结果如下表所示:
Figure BDA0002303977680000052
Figure BDA0002303977680000061
实施例9:
实施例9的混合有机溶剂变成由丙酮和正己烷组成,且混合溶剂中丙酮的体积含量为10%,其他条件同实施例1。实施例10-12:
实施例10-12的HPE-COCl的加入量分别变成0.04g,0.07g和0.1g,其他条件同实施例9。
制得的新型复合纳滤膜在25℃,0.8Mpa的压力下,对于纯水、1000ppm 的硫酸钠、氯化钠的分离测试结果如下表所示:
Figure BDA0002303977680000062
实施例13-15:
实施例13-15的混合溶剂中四氢呋喃的体积含量分别变成2%,5%,20%,其他条件同实施例1。
制得的新型复合纳滤膜在25℃,0.8Mpa的压力下,对于纯水、1000ppm 的硫酸钠、1000ppm氯化钠的分离测试结果如下表所示:
Figure BDA0002303977680000063
对比例1:
将0.25g均苯三甲酰氯溶解于100mL正己烷中,制得油相溶液;将尺寸为 15×15cm的聚砜支撑膜光面浸泡于100mL浓度为20g/L,pH为11.23的哌嗪水相溶液中2min,取出,去除膜表面多余溶液并晾干;再将其浸泡于100mL 油相溶液中40s,进行界面聚合反应,取出,去除膜表面多余溶液并晾干;随后,将膜置于60℃烘箱中固化交联5min,经去离子水浸泡洗涤后,得到传统纳滤膜。
制得的新型复合纳滤膜在25℃,0.8Mpa的压力下,对于纯水、1000ppm 的硫酸钠、1000ppm氯化钠的分离测试结果如下表所示:
Figure BDA0002303977680000071
比较实施例制得的新型复合纳滤膜和对比例制得的传统纳滤膜,本发明制得的新型复合纳滤膜具有高通量,和高一价/多价盐选择性。

Claims (9)

1.一种高通量高选择性复合纳滤膜,其特征在于:所述的高通量高选择性复合纳滤膜按照如下方法进行制备:
(1)将端羧基树枝状超支化聚酯HPE置于二氯亚砜溶液中,在60-80℃下反应8-24h反应,得到超支化聚酯酰氯HPE-COCl;
(2)将步骤(1)中得到的HPE-COCl和均苯三甲酰氯溶解于混合有机溶剂中,制得油相溶液;
(3)将聚砜支撑膜光面浸泡于浓度为1-30g/L哌嗪水相溶液中1-10min,取出,去除膜表面多余溶液并晾干;
(4)将步骤(3)得到的聚砜支撑膜浸泡于步骤(2)得到的油相溶液中5-60s,进行界面聚合反应,取出,去除膜表面多余溶液并晾干;
(5)将步骤(4)得到的膜在40-80℃下固化交联0-10min,经去离子水浸泡洗涤后,得到所述复合纳滤膜。
2.如权利要求1所述的高通量高选择性复合纳滤膜,其特征在于:步骤(1)中,所述的端羧基树枝状超支化聚酯的加入量以所述的二氯亚砜的体积计为10-100g/L。
3.如权利要求1所述的高通量高选择性复合纳滤膜,其特征在于:步骤(2)中,所述的HPE-COCl的加入量以所述的混合有机溶剂的体积计为0.01-5g/L。
4.如权利要求1所述的高通量高选择性复合纳滤膜,其特征在于:步骤(2)中,所述的均苯三甲酰氯的加入量以所述的混合有机溶剂的体积计为0.5-3g/L。
5.如权利要求1所述的高通量高选择性复合纳滤膜,其特征在于:步骤(2)中,所述的混合有机溶剂由主溶剂和助溶剂组成,所述的主溶剂为正己烷、正庚烷、环己烷、正癸烷或Isopar G中的一种,所述的助溶剂为四氢呋喃、乙酸乙酯、二氯乙烷、三氯乙烷、氯仿、乙醚或丙酮中的任意一种或任意几种,所述的混合有机溶剂中,主溶剂的体积含量为60-98%,助溶剂的体积含量为2-40%。
6.如权利要求1所述的高通量高选择性复合纳滤膜,其特征在于:步骤(3)中,所述的哌嗪水相溶液的pH控制在10-12,所述的pH通过加入磷酸钠进行调节。
7.一种如权利要求1所述的高通量高选择性复合纳滤膜应用于一价/多价盐分离。
8.如权利要求7所述的应用,其特征在于:所述的一价盐为氯化钠、氯化锂或氯化钾。
9.如权利要求7所述的应用,其特征在于:所述的多价盐为硫酸钠、硫酸镁、氯化铜、氯化铬、氯化镉、氯化铁、硝酸铅或硝酸镍。
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