CN111001318B - 一种多巴胺辅助修饰的杂化复合正渗透膜及其制备方法 - Google Patents

一种多巴胺辅助修饰的杂化复合正渗透膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及膜分离技术领域，提供了一种多巴胺辅助修饰的杂化复合正渗透膜及其制备方法。本发明以含有无机盐和乙醇的水溶液为凝固浴，调控相分离速度与聚偏氟乙烯的结晶性，构建具有微纳结构的聚偏氟乙烯膜表面，赋予支撑膜大孔隙率和高比表面积，促进正渗透过程中盐溶液在膜孔内部的快速扩散、降低浓差极化，减少膜阻，提高正渗透膜水通量；利用多巴胺的超强粘附特性与多活性官能团，将亲水性生物质材料和ZIF‑8同时沉积在支撑膜表面，构建无缺陷亲水杂化选择性皮层，提高盐截留率；ZIF‑8纳米粒子原位生成并均匀分散在皮层中，解决杂化材料的界面形容性问题，同时ZIF‑8内部的空腔提供了纳米水通道，保证盐截留率的同时，提高水通量。

Description

一种多巴胺辅助修饰的杂化复合正渗透膜及其制备方法
技术领域
本发明属于膜分离技术领域，尤其涉及一种多巴胺辅助修饰的杂化复合正渗透膜及其制备方法。
背景技术
常见的正渗透膜是通过界面聚合法制备的复合膜，包括多孔支撑膜和超薄聚酰胺选择性皮层。经典的界面聚合过程是先将支撑膜浸入多元胺单体的水相溶液中，一定时间后将膜取出并清除膜表面多余的水相溶液，再将该样品浸入到含有酰氯单体的油相溶液中，两种活泼性单体仅在界面发生反应，生成聚酰胺皮层，经过适当的热处理，得到复合正渗透膜。近年来，通过将无机纳米材料添加到水相溶液中，引发界面聚合反应，构筑杂化复合正渗透膜的研究报道逐年增加。杂化复合正渗透膜既具有聚合物膜的柔韧性、易加工性等优点，又表面出无机纳米材料的耐溶剂、高强度、亲水性、抗污染和抗菌性等优势，受到了日益广泛的关注。但是，传统的纳米材料共混法存在难以克服的无机与有机材料的界面相容问题，易形成缺陷；界面聚合制备的聚酰胺皮层非常致密，水通量较小；多孔支撑膜孔隙率低，膜阻大，光滑的膜表面使得聚酰胺功能层的附着牢度不高、易脱落。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种多巴胺辅助修饰的杂化复合正渗透膜，协同支撑膜的高孔隙率和大比表面积、生物质聚合物的亲水性和ZIF-8(沸石咪唑类骨架材料)的纳米水通道作用，得到水通量高、盐反混通量低和盐截留率高的复合正渗透膜。
本发明采用以下的技术方案：
一种多巴胺辅助修饰的杂化复合正渗透膜，包括多孔支撑膜，所述多孔支撑膜为通过非溶剂诱导相分离制备的具有微纳结构的聚合物多孔膜；多孔支撑膜上原位沉积有通过多巴胺辅助修饰的杂化选择性皮层，所述杂化选择性皮层为由多巴胺、亲水性生物质材料与ZIF-8原位共沉积形成。
本发明的另一目的是提供一种多巴胺辅助修饰的杂化复合正渗透膜的制备方法，通过调控非溶剂诱导相分离过程，制备得到具有大孔隙率和高比表面积的微纳结构的聚偏氟乙烯支撑膜，促进正渗透过程中盐溶液在膜孔内部的快速扩散、降低浓差极化与膜阻；并利用多巴胺，将亲水性生物质材料和原位生成的ZIF-8(沸石咪唑类骨架材料)同时沉积在支撑膜表面，构建无缺陷亲水杂化选择性皮层，解决杂化材料的界面形容性问题，同时ZIF-8内部的空腔提供了纳米水通道，保证盐截留率的同时，提高水通量。
一种多巴胺辅助修饰的杂化复合正渗透膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将5～30g聚偏氟乙烯加入有机溶剂中，80℃下反应1～24h后，将其均匀涂布在无纺布表面，得到液态膜，立即浸入无机盐溶液中，取出，去离子水清洗，得到表面具有微/纳米级结构的聚偏氟乙烯支撑膜；
(2)将聚偏氟乙烯支撑膜浸入含有多巴胺、六水合硝酸锌和生物质聚合物的功能性水溶液中，40℃浸泡0.5～24h后取出，得到初生复合正渗透膜；
(3)将初生复合正渗透膜浸入含有交联剂和2-甲基咪唑的反应性混合溶液中，20～80℃浸泡2～120min后取出，清洗，即制备得到杂化复合正渗透膜。
进一步地，步骤(1)中所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N’-二甲基甲酰胺、N,N’-二甲基乙酰胺、磷酸三乙酯、磷酸三甲酯和二甲基亚砜中的一种或多种。
进一步地，步骤(1)中所述无机盐溶液中，无机盐为氯化钠、氯化钾水、氯化镁、硫酸镁和硫酸钠中的一种或多种；无机盐的浓度为5～200g/L；溶剂为乙醇和水，乙醇与水的体积比为9∶1～1∶9。
进一步地，步骤(2)中，所述生物质聚合物为壳聚糖、海藻酸钠、明胶和透明质酸中的一种或多种。
进一步地，步骤(2)中，所述功能性水溶液中，多巴胺的浓度为0.2～10g/L，六水合硝酸锌的浓度为0.05～1g/L，生物质聚合物的浓度为0.2～10g/L。溶剂为水。
进一步地，步骤(3)中，所述反应性混合溶液中，交联剂的浓度为5～50g/L，2-甲基咪唑的浓度为5～50g/L；溶剂为甲醇和水，甲醇与水的体积比为9∶1～1∶9。
进一步地，步骤(3)中，所述交联剂为戊二醛、山梨醇和苹果酸中的一种或多种。
本发明具有的有益效果是：
(1)本发明以含有无机盐和乙醇的水溶液为凝固浴，调控相分离速度与聚偏氟乙烯的结晶性，构建具有微纳结构的聚偏氟乙烯膜表面，赋予支撑膜大孔隙率和高比表面积，促进正渗透过程中盐溶液在膜孔内部的快速扩散、降低浓差极化，减少膜阻，提高正渗透膜水通量；
(2)利用多巴胺的超强粘附特性与多活性官能团，将亲水性生物质材料和ZIF-8同时沉积在支撑膜表面，构建无缺陷亲水杂化选择性皮层，提高盐截留率；
(3)ZIF-8纳米粒子原位生成并均匀分散在皮层中，解决杂化材料的界面形容性问题，同时ZIF-8内部的空腔提供了纳米水通道，保证盐截留率的同时，提高水通量。
附图说明
图1为聚偏氟乙烯支撑膜的上表面局部放大扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行具体的说明：
实施例1
(1)将5g聚偏氟乙烯加入N-甲基吡咯烷酮中，80℃下反应1h后，将其均匀涂布在无纺布表面，得到液态膜，立即浸入5g/L氯化钠溶液中，溶剂为乙醇和水组成，乙醇与水的体积比为9：1，取出，去离子水清洗，得到表面具有微/纳米级结构的聚偏氟乙烯支撑膜；
(2)将聚偏氟乙烯膜浸入0.2g/L多巴胺、0.05g/L六水合硝酸锌和0.2g/L壳聚糖的水溶液中，40℃浸泡0.5h后取出，得到初生复合正渗透膜；
(3)将初生复合正渗透膜浸入5g/L戊二醛和5g/L 2-甲基咪唑的反应性混合溶液中，溶剂为甲醇和水组成，甲醇与水的体积比为9：1，20℃浸泡2min后取出，清洗，得到所述的杂化复合正渗透膜。
经测试，本实施例制备的正渗透膜以1mol/L氯化钠溶液为汲取液时，纯水通量为5Lm-2h-1，盐通量为32gm-2h-1，对氯化钠截留率为11％。
对所制备得到的聚偏氟乙烯支撑膜进行扫描电镜观察，结果发现，聚偏氟乙烯支撑膜的表面由微/纳米粒子和微/纳米纤维组合而成，且水接触角小于10°，而这种超亲水多孔结构能够提高界面聚合得到的聚酰胺层的表面积和均匀性，使得所制备得到的复合正渗透膜具有水通量高、盐反混通量低和盐截留率高的特点。
实施例2
(1)将30g聚偏氟乙烯加入N,N’-二甲基甲酰胺中，80℃下反应24h后，将其均匀涂布在无纺布表面，得到液态膜，立即浸入200g/L氯化钾水溶液中，溶剂为乙醇和水组成，乙醇与水的体积比为1：9，取出，去离子水清洗，得到表面具有微/纳米级结构的聚偏氟乙烯支撑膜；
(2)将聚偏氟乙烯膜浸入含有10g/L多巴胺、1g/L六水合硝酸锌和10g/L海藻酸钠的水溶液中，40℃浸泡24h后取出，得到初生复合正渗透膜；
(3)将初生复合正渗透膜浸入含有50g/L山梨醇和50g/L 2-甲基咪唑的反应性混合溶液中，溶剂为甲醇和水组成，甲醇与水的体积比为1：9，80℃浸泡120min后取出，清洗，得到所述的杂化复合正渗透膜。
经测试，本实施例制备的正渗透膜以1mol/L氯化钠溶液为汲取液时，纯水通量为57Lm-2h-1，盐通量为18gm-2h-1，对氯化钠截留率为98％。
实施例3
(1)将15g聚偏氟乙烯加入N,N’-二甲基乙酰胺中，80℃下反应8h后，将其均匀涂布在无纺布表面，得到液态膜，立即浸入50g/L氯化镁溶液中，溶剂为乙醇和水组成，乙醇与水的体积比为2：8，取出，去离子水清洗，得到表面具有微/纳米级结构的聚偏氟乙烯支撑膜；
(2)将聚偏氟乙烯膜浸入含有1.5g/L多巴胺、0.5g/L六水合硝酸锌和2g/L明胶的水溶液中，40℃浸泡2h后取出，得到初生复合正渗透膜；
(3)将初生复合正渗透膜浸入含有10g/L苹果酸和10g/L 2-甲基咪唑的反应性混合溶液中，溶剂为甲醇和水组成，甲醇与水的体积比为2：8，60℃浸泡30min后取出，清洗，得到所述的杂化复合正渗透膜。
经测试，本实施例制备的正渗透膜以1mol/L氯化钠溶液为汲取液时，纯水通量为64Lm-2h-1，盐通量为6gm-2h-1，对氯化钠截留率为89％。
实施例4
(1)将15g聚偏氟乙烯加入磷酸三乙酯中，80℃下反应12h后，将其均匀涂布在无纺布表面，得到液态膜，立即浸入150g/L硫酸镁溶液中，溶剂为乙醇和水组成，乙醇与水的体积比为4：6，取出，去离子水清洗，得到表面具有微/纳米级结构的聚偏氟乙烯支撑膜；
(2)将聚偏氟乙烯膜浸入含有2g/L多巴胺、1g/L六水合硝酸锌和1g/L透明质酸的水溶液中，40℃浸泡5h后取出，得到初生复合正渗透膜；
(3)将初生复合正渗透膜浸入含有15g/L戊二醛和20g/L 2-甲基咪唑的反应性混合溶液中，溶剂为甲醇和水组成，甲醇与水的体积比为4：6，20～80℃浸泡50min后取出，清洗，得到所述的杂化复合正渗透膜。
经测试，本实施例制备的正渗透膜以1mol/L氯化钠溶液为汲取液时，纯水通量为77Lm-2h-1，盐通量为14gm-2h-1，对氯化钠截留率为93％。
实施例5
(1)将18g聚偏氟乙烯加入磷酸三甲酯中，80℃下反应12h后，将其均匀涂布在无纺布表面，得到液态膜，立即浸入100g/L硫酸钠溶液中，溶剂为乙醇和水组成，乙醇与水的体积比为5：5，取出，去离子水清洗，得到表面具有微/纳米级结构的聚偏氟乙烯支撑膜；
(2)将聚偏氟乙烯膜浸入含有1g/L多巴胺、1g/L六水合硝酸锌和3g/L壳聚糖的水溶液中，40℃浸泡10h后取出，得到初生复合正渗透膜；
(3)将初生复合正渗透膜浸入含有10g/L戊二醛和20g/L 2-甲基咪唑的反应性混合溶液中，溶剂为甲醇和水组成，甲醇与水的体积比为5：5，80℃浸泡20min后取出，清洗，得到所述的杂化复合正渗透膜。
经测试，本实施例制备的正渗透膜以1mol/L氯化钠溶液为汲取液时，纯水通量为103Lm-2h-1，盐通量为17gm-2h-1，对氯化钠截留率为86％。
实施例6
(1)将20g聚偏氟乙烯加入二甲基亚砜中，80℃下反应15h后，将其均匀涂布在无纺布表面，得到液态膜，立即浸入20g/L氯化钠溶液中，溶剂为乙醇和水组成，乙醇与水的体积比为8：2，取出，去离子水清洗，得到表面具有微/纳米级结构的聚偏氟乙烯支撑膜；
(2)将聚偏氟乙烯膜浸入含有5g/L多巴胺、0.5g/L六水合硝酸锌和5g/L壳聚糖的水溶液中，40℃浸泡0.5h后取出，得到初生复合正渗透膜；
(3)将初生复合正渗透膜浸入含有10g/L戊二醛和5g/L 2-甲基咪唑的反应性混合溶液中，溶剂为甲醇和水组成，甲醇与水的体积比为5：5，50℃浸泡25min后取出，清洗，得到所述的杂化复合正渗透膜。
经测试，本实施例制备的正渗透膜以1mol/L氯化钠溶液为汲取液时，纯水通量为65Lm-2h-1，盐通量为22gm-2h-1，对氯化钠截留率为90％。
对照例1：本对照例与实施例4基本相同，区别之处在于：步骤(1)中液态膜浸入为水中而不是无机盐溶液，所形成的聚偏氟乙烯膜制成膜表面光滑致密，无微/纳米级结构。本对照例所获正渗透膜以1mol/L氯化钠溶液为汲取液，纯水通量为0.6L m-2h-1，盐通量为61gm-2h-1，对氯化钠的截留率为4％。
对照例2：本对照例与实施例4基本相同，区别之处在于：步骤(2)中，不添加多巴胺，导致透明质酸和ZIF-8无法沉积在支撑膜表面。本对照例所获正渗透膜以1mol/L氯化钠溶液为汲取液，纯水通量为26Lm-2h-1，盐通量为532gm-2h-1，对氯化钠的截留率为0％。
对照例3：本对照例与实施例4基本相同，区别之处在于：步骤(2)中，不添加六水合硝酸锌，导致复合正渗透膜表面无ZIF-8纳米离子。本对照例所获正渗透膜以1mol/L氯化钠溶液为汲取液，纯水通量为3.7Lm-2h-1，盐通量为15gm-2h-1，对氯化钠的截留率为97％。
对照例4：本对照例与实施例4基本相同，区别之处在于：步骤(2)中，不添加透明质酸，导致复合正渗透膜表面无亲水性生物质材料。本对照例所获正渗透膜以1mol/L氯化钠溶液为汲取液，纯水通量为0.4Lm-2h-1，盐通量为3gm-2h-1，对氯化钠的截留率为97％。
此外，本案发明人还参照实施例1至实施例6的方式，以本说明书中列出的其它原料和条件等进行了试验，并同样制得了大通量、低盐通量、高盐截留率的复合正渗透膜。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多巴胺辅助修饰的杂化复合正渗透膜，其特征在于，包括多孔支撑膜，所述多孔支撑膜为通过非溶剂诱导相分离制备的具有微纳结构的聚合物多孔膜；多孔支撑膜上原位沉积有通过多巴胺辅助修饰的杂化选择性皮层，所述杂化选择性皮层为由多巴胺、亲水性生物质材料与ZIF-8原位共沉积形成。
2.一种多巴胺辅助修饰的杂化复合正渗透膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将15～30g聚偏氟乙烯加入有机溶剂中，80℃下反应8～24h后，将其均匀涂布在无纺布表面，得到液态膜，立即浸入无机盐溶液中，取出，去离子水清洗，得到表面具有微/纳米级结构的聚偏氟乙烯支撑膜；
无机盐溶液的溶剂为乙醇和水，乙醇与水的体积比为9∶1～1∶9；
(2)将聚偏氟乙烯支撑膜浸入含有多巴胺、六水合硝酸锌和生物质聚合物的功能性水溶液中，40℃浸泡2～24h后取出，得到初生复合正渗透膜；
(3)将初生复合正渗透膜浸入含有交联剂和2-甲基咪唑的反应性混合溶液中，50～80℃浸泡20～120min后取出，清洗，即制备得到杂化复合正渗透膜。
3.根据权利要求2所述的一种多巴胺辅助修饰的杂化复合正渗透膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N’-二甲基甲酰胺、N,N’-二甲基乙酰胺、磷酸三乙酯、磷酸三甲酯和二甲基亚砜中的一种或多种。
4.根据权利要求2所述的一种多巴胺辅助修饰的杂化复合正渗透膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述无机盐溶液中，无机盐为氯化钠、氯化钾、氯化镁、硫酸镁和硫酸钠中的一种或多种。
5.根据权利要求2或4所述的一种多巴胺辅助修饰的杂化复合正渗透膜的制备方法，其特征在于，无机盐的浓度为5～200g/L。
6.根据权利要求2所述的一种多巴胺辅助修饰的杂化复合正渗透膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述生物质聚合物为壳聚糖、海藻酸钠、明胶和透明质酸中的一种或多种。
7.根据权利要求2所述的一种多巴胺辅助修饰的杂化复合正渗透膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述功能性水溶液中，多巴胺的浓度为0.2～10g/L，六水合硝酸锌的浓度为0.05～1g/L，生物质聚合物的浓度为0.2～10g/L。
8.根据权利要求2所述的一种多巴胺辅助修饰的杂化复合正渗透膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述反应性混合溶液中，交联剂的浓度为5～50g/L，2-甲基咪唑的浓度为5～50g/L。
9.根据权利要求2或8所述的一种多巴胺辅助修饰的杂化复合正渗透膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述反应性混合溶液中，溶剂为甲醇和水，甲醇与水的体积比为9∶1～1∶9。
10.根据权利要求2或8所述的一种多巴胺辅助修饰的杂化复合正渗透膜的制备方法，其特征在于，所述交联剂为戊二醛、山梨醇和苹果酸中的一种或多种。
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