CN111389245B - 一种单面超疏水聚合物纤维膜及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种单面超疏水聚合物纤维膜及其制备方法和应用,属于膜法烟气脱硫技术领域。本发明在纺丝液中引入疏水纳米粒子,同时利用双溶剂沸点不同而具有不同挥发速率在纤维表面构筑亚微米级凸起,亚微米级凸起与纳米疏水粒子间发挥协同作用,构建出类荷叶的微纳双重粗糙结构的疏水纤维层,制得的单面超疏水聚合物纤维膜中具有超疏水纤维层一侧具备优异的疏水性。在长期脱硫过程中,本发明提供的单面超疏水聚合物纤维膜具有较高的脱硫性能,特别是和原膜相比,不仅脱硫性能较好,还具有较好的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及膜法烟气脱硫技术领域,尤其涉及一种单面超疏水聚合物纤维膜及其制备方法和应用。
背景技术
煤炭燃烧在产生二氧化硫的同时,还会附带产生二次污染物,包括硫酸盐、有机硫酸盐气溶胶和酸雨。因此,脱硫成为人们广泛关注的问题。
现阶段较为主流的脱硫方法包括湿法脱硫、干法脱硫和半干法脱硫。其中应用最为广泛、脱硫率最高的是湿法脱硫。但其存在诸如成本较高,占地面积大以及脱硫过程中易发生雾化、液泛等问题。膜法脱硫作为一种新型脱硫技术受到人们的广泛关注,其模块化操作、尺寸小、成本低等优点有效地避免了上述问题。膜接触器是膜法脱硫的主要组件之一,膜接触器主要用膜材料以聚合物膜为主,聚合物膜在膜接触器中起屏障作用,使气液两相独立地在膜两边对向流动,以浓度差为推动力,SO2从气相进入液相吸收液而被吸收。
在实际操作过程中,膜接触器的连续运行会导致膜接触器发生膜润湿现象。由于气体在液体中的传质速率小于在气体中的传质速率,当膜润湿后,传质阻力增加,传质系数下降,进而影响膜的吸收通量。因此,膜润湿现象导致膜接触器不能长期稳定运行。所以,聚合物膜的疏水性在膜接触器长期运行过程中尤为关键。因此,提升聚合物膜疏水性,增强膜的耐润湿性是膜长期运行的基本条件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单面超疏水聚合物纤维膜及其制备方法和应用,所述单面超疏水聚合物纤维膜中纤维层的一侧疏水性优异,将其应用于膜法脱硫中能够长期稳定运行,且SO2吸收通量和脱硫率较高。
为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
本发明提供了一种单面超疏水聚合物纤维膜的制备方法,包括以下步骤:
将疏水聚合物、疏水纳米粒子、第一溶剂和第二溶剂混合,得到纺丝液;
将所述纺丝液在聚合物基膜的单面进行静电纺丝,在所述聚合物基膜的单面形成超疏水纤维层,得到单面超疏水聚合物纤维膜;
所述第一溶剂和第二溶剂的沸点差≥50℃,所述第一溶剂的沸点低于第二溶剂的沸点。
优选的,所述疏水聚合物包括聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚亚胺、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚乙烯和聚苯乙烯中的一种或几种。
优选的,所述疏水纳米粒子包括疏水二氧化硅、疏水二氧化钛、疏水碳纳米管、疏水氧化锌和疏水金属有机骨架中的一种或几种;所述疏水纳米粒子的粒径为10~100nm。
优选的,所述第一溶剂和第二溶剂独立地包括N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、磷酸三乙酯、四氢呋喃或环丙酮。
优选的,所述疏水纳米粒子占疏水聚合物质量的5~100%;所述第一溶剂、第二溶剂和疏水聚合物的质量比为(49.4~51.4):(32.6~34.6):(15~17)。
优选的,所述聚合物基膜的材料包括聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚亚胺、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯和聚苯乙烯中的一种或几种。
优选的,所述静电纺丝的电压为8~16kV,纺丝液流量为0.3~1mL/h,湿度为40~55%,接收距离为12~18cm,接收时间为40~120min。
本发明提供了上述技术方案所述单面超疏水聚合物纤维膜的制备方法制备得到的单面超疏水聚合物纤维膜,包括聚合物基膜和附着于聚合物基膜单面的超疏水纤维层。
优选的,所述聚合物基膜的厚度为100~120μm,所述超疏水纤维层的厚度为5~40μm。
本发明提供了上述技术方案所述单面超疏水聚合物纤维膜在膜法烟气脱硫中的应用。
本发明提供了一种单面超疏水聚合物纤维膜的制备方法,包括以下步骤:将疏水聚合物、疏水纳米粒子、第一溶剂和第二溶剂混合,得到纺丝液;将所述纺丝液在聚合物基膜的单面进行静电纺丝,在所述聚合物基膜的单面形成超疏水纤维层,得到单面超疏水聚合物纤维膜;所述第一溶剂和第二溶剂的沸点差≥50℃,所述第一溶剂的沸点低于第二溶剂的沸点。本发明在纺丝液中引入疏水纳米粒子,同时利用双溶剂沸点不同而具有不同挥发速率在纤维表面构筑亚微米级凸起,亚微米级凸起与纳米疏水粒子间发挥协同作用,构建出类荷叶的微纳双重粗糙结构的超疏水纤维层,制得的单面超疏水聚合物纤维膜中具有超疏水纤维层一侧具备优异的疏水性。
本发明的单面超疏水聚合物纤维膜用于膜法脱除SO2时,具有纤维膜一侧的表面与吸收液接触可有效避免膜润湿,能够降低SO2在吸收液一侧的传质阻力,达到长期稳定运行,并具有优异的脱硫性能。和无纤维层基膜相比,在相同长达12h的脱硫过程中,单面超疏水聚合物纤维膜能够稳定保持较高的气体吸收通量和脱硫率。在12h长期运行后,无纤维层基膜不仅水接触角发生下降,SO2吸收通量由10.5×10-4(mol·m-2·s-1)降至5.8×10-4(mol·m-2·s-1),而单面超疏水聚合物纤维膜的水接触角仍能维持150°左右,且SO2吸收通量稳定在9.5×10-4(mol·m-2·s-1),明显较基膜具有更高的SO2吸收通量。因此,在长期脱硫过程中,本发明提供的单面超疏水聚合物纤维膜具有较高的脱硫性能,特别是和原膜相比,不仅脱硫性能较好,还具有较好的稳定性。
本发明使用的聚合物基膜为商品化聚合物膜,采用一步法制备单面超疏水聚合物纤维膜,制备步骤简便可控,原料易得,条件温和。
附图说明
图1为实施例1制备的单面超疏水聚偏氟乙烯纤维膜的扫描电镜图;
图2为实施例2制备的单面超疏水聚偏氟乙烯纤维膜的扫描电镜图;
图3为实施例3制备的单面超疏水聚偏氟乙烯纤维膜的扫描电镜图;
图4为对比例1制备的聚偏氟乙烯膜的扫描电镜图;
图5为对比例2制备的聚偏氟乙烯膜的扫描电镜图。
具体实施方式
本发明提供了一种单面超疏水聚合物纤维膜的制备方法,包括以下步骤:
将疏水聚合物、疏水纳米粒子、第一溶剂和第二溶剂混合,得到纺丝液;
将所述纺丝液在聚合物基膜的单面进行静电纺丝,在所述聚合物基膜的单面形成超疏水纤维层,得到单面超疏水聚合物纤维膜;
所述第一溶剂和第二溶剂的沸点差≥50℃,所述第一溶剂的沸点低于第二溶剂的沸点。
在本发明中,若无特殊说明,所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明将疏水聚合物、疏水纳米粒子、第一溶剂和第二溶剂混合,得到纺丝液。在本发明中,所述疏水聚合物优选包括聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚亚胺、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚乙烯和聚苯乙烯中的一种或几种;当所述疏水聚合物为上述中的几种时,本发明对不同种类疏水聚合物的比例没有特殊的限定,任意配比均可。在本发明中,所述疏水聚合物的形态优选为粉体,本发明对所述疏水聚合物的粉体粒径没有特殊的限定,选用相应的市售商品即可。
在本发明中,所述疏水纳米粒子优选包括疏水二氧化硅、疏水二氧化钛、疏水碳纳米管、疏水氧化锌和疏水金属有机骨架中的一种或几种;当所述疏水纳米粒子为上述中的几种时,本发明对不同种类疏水纳米粒子的比例没有特殊的限定,任意配比均可。在本发明中,所述疏水纳米粒子的粒径优选为10~100nm,更优选为20~80nm,进一步优选为30~50nm。
在本发明中,所述第一溶剂和第二溶剂的沸点差≥50℃,所述第一溶剂的沸点低于第二溶剂的沸点;所述第一溶剂和第二溶剂优选独立地包括N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、磷酸三乙酯、四氢呋喃或环丙酮;更优选的,所述第一溶剂优选为N,N-二甲基甲酰胺(沸点为152℃),第二溶剂优选为N-甲基吡咯烷酮(沸点为205℃);所述第一溶剂优选为四氢呋喃(沸点为66℃),所述第二溶剂优选为N,N-二甲基乙酰胺(沸点为166℃);所述第一溶剂优选为N,N-二甲基乙酰胺(沸点为166℃),所述第二溶剂优选为磷酸三乙酯(沸点为220℃)。本发明在第一溶剂中添加不同沸点的第二溶剂,能够起到调节溶剂挥发速率的作用,本发明通过第一溶剂与第二溶剂间不同的挥发速率能够在聚合物纤维表面形成凹凸结构,增加聚合物纤维的粗糙度;同时,相对不易挥发的第二溶剂能够使得纤维间的粘结现象明显,增强纤维间的稳定性。
在本发明中,所述疏水纳米粒子优选占疏水聚合物质量的5~100%,更优选为10~60%,进一步优选为20~50%,再优选为30~40%;所述第一溶剂、第二溶剂和疏水聚合物的质量比优选为(49.4~51.4):(32.6~34.6):(15~17),更优选为(50~51):(33~34):(15.5~16.5)。
在本发明中,所述疏水聚合物、疏水纳米粒子、第一溶剂和第二溶剂混合的过程优选为先向所述疏水纳米粒子中加入第一溶剂和第二溶剂,进行超声分散,分散均匀后加入疏水聚合物,搅拌混合,得到混合物料。在本发明中,所述超声分散的功率优选为2500~6000W,更优选为3500~4500W;所述超声分散的时间优选为1~6h,更优选为2~3h;所述搅拌混合的温度优选为50~80℃,更优选为60~70℃;所述搅拌混合的时间优选为6~10h,更优选为7~8h。本发明对所述搅拌混合的转速没有特殊的限定,能够使得物料混合均匀即可。
得到混合物料后,本发明优选将所述混合物料进行静置脱泡,所述静置脱泡的时间优选为6~12h,更优选为8~10h;本发明通过静置脱泡使得后续纺丝过程中纤维稳定,避免在纺丝过程中由于气泡的存在,使得纤维不连续,甚至纺丝状态难以稳定。
得到纺丝液后,本发明将所述纺丝液在聚合物基膜的单面进行静电纺丝,在所述聚合物基膜的单面形成超疏水纤维层,得到单面超疏水聚合物纤维膜。在本发明中,所述聚合物基膜的材料优选包括聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚亚胺、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯和聚苯乙烯中的一种或几种;当所述聚合物基膜的材料为上述中的几种时,本发明对不同种类聚合物基膜的材料的比例没有特殊的限定,任意配比均可。在本发明中,所述聚合物基膜的形式优选包括中空纤维膜、管式膜或平板膜。本发明对所述聚合物基膜的来源没有特殊要求,使用市售产品或自行制备均可。
进行静电纺丝前,本发明优选将聚合物基膜浸泡于无水乙醇溶液中,干燥后将所得膜进行静电纺丝。在本发明中,所述浸泡的温度优选为25℃,所述浸泡的时间优选为2h,本发明对所述无水乙醇溶液的浓度没有特殊的限定,选用市售常规无水乙醇溶液即可;所述干燥的过程为先自然晾干后,然后在真空条件下干燥24h。本发明对所述真空条件没有特殊的限定,按照本领域熟知的过程进行即可。本发明将聚合物基膜浸泡于无水乙醇溶液中利用无水乙醇清洗基膜,使得基膜膜孔充分打开。
本发明优选将所述纺丝液盛装于针管中,然后置于注射泵上,将聚合物基膜固定于接收滚筒,设置纺丝参数,进行静电纺丝。在本发明中,所述静电纺丝的电压优选为8~16kV,更优选为10~15kV,进一步优选为12~14kV;纺丝液流量优选为0.3~1mL/h,更优选为0.5~0.8mL/h,进一步优选为0.6~0.7mL/h;湿度优选为40~55%,更优选为45~50%;接收距离优选为12~18cm,更优选为13~16cm,进一步优选为14~15cm;往返距离优选为8~16cm,更优选为10~12cm;接收时间优选为40~120min,更优选为50~100min,进一步优选为60~80min。在本发明中,所述往返距离指的是以接收滚筒一端为原点,向另一端方向运动的距离,到达另一端后返回。
完成所述静电纺丝后,本发明优选将所得膜置于真空烘箱中,进行真空干燥,得到单面超疏水聚合物纤维膜;所述真空干燥的温度优选为40~60℃,更优选为45~55℃,时间优选为24~48h,更优选为30~45h。
本发明在纺丝液中引入疏水纳米粒子,同时利用双溶剂沸点不同而具有不同挥发速率在纤维表面构筑亚微米级凸起,亚微米级凸起与纳米疏水粒子间发挥协同作用,构建出类荷叶的微纳双重粗糙结构的疏水纤维层,制得的单面超疏水聚合物纤维膜中具有超疏水纤维层一侧具备优异的疏水性。本发明的单面超疏水聚合物纤维膜用于膜法脱硫脱除SO2时,具有较好的SO2吸收通量及脱硫率,超疏水纤维层能有效减缓膜润湿,降低SO2在膜孔中的传质阻力,达到长期稳定运行的效果。
本发明提供了上述技术方案所述单面超疏水聚合物纤维膜的制备方法制备得到的单面超疏水聚合物纤维膜,包括聚合物基膜和附着于聚合物基膜单面的超疏水纤维层。在本发明中,所述聚合物基膜的厚度优选为100~120μm,更优选为105~115μm,所述超疏水纤维层的厚度优选为5~40μm,更优选为10~30μm;所述单面超疏水聚合物纤维膜的总厚度优选为125~140μm。在本发明中,所述聚合物基膜与超疏水纤维层的质量比优选为10:(0.8~1.5),更优选为10:(1~1.3)。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的单面超疏水聚合物纤维膜或上述技术方案所述单面超疏水聚合物纤维膜在膜法烟气脱硫中的应用。本发明对所述应用的方法没有特殊的限定,按照本领域熟知的过程将所述单面超疏水聚合物纤维膜用于膜法烟气脱硫即可。在本发明的具体实施例中,具体是将所述单面超疏水聚合物纤维膜安装在脱硫用气-液膜接触器中,在脱硫时,将具有超疏水纤维层的一面作为吸收液侧。
下面将结合本发明中的实施例,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
单面超疏水聚偏氟乙烯纤维膜的超疏水纤维层是疏水纳米二氧化硅(粒径为20~40nm)和聚偏氟乙烯静电纺丝形成。
制备方法如下:
(1)将市售聚偏氟乙烯膜在25℃下浸泡于无水乙醇溶液中2h,取出自然晾干后,真空条件下干燥24h,得到聚偏氟乙烯基膜;
(2)配制疏水纳米二氧化硅-聚偏氟乙烯纺丝液,纺丝液的组成成分为:聚偏氟乙烯(1.6g)、N,N-二甲基甲酰胺(5.04g,沸点152℃)、N-甲基吡咯烷酮(3.36g,沸点205℃),疏水纳米二氧化硅占聚偏氟乙烯质量的10%;
纺丝液的制备方法:将疏水纳米二氧化硅0.16g、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮加入到三口烧瓶中,超声2h后(功率为4000W),加入聚偏氟乙烯粉末,在60℃下磁力搅拌6h,真空下脱泡12h,得到疏水纳米二氧化硅-聚偏氟乙烯纺丝液;
(3)静电纺丝:将聚偏氟乙烯基膜固定于接收滚筒上,设置纺丝参数为纺丝液流量0.5mL/h、湿度50%、接收距离15cm、往返距离12cm,接收时间1h后,取出于45℃下干燥24h,在所述聚偏氟乙烯基膜的单面形成超疏水纤维层,得到单面超疏水聚偏氟乙烯纤维膜,膜的总厚度为125μm,超疏水纤维层的厚度为15μm,所述聚偏氟乙烯基膜与超疏水纤维层的质量比为10:1。
性能测试:
1)使用扫描电镜对所得单面超疏水聚偏氟乙烯纤维膜进行观察,所得结果如图1所示,图中右上角为细节图,根据SEM图可以看出,纤维直径较细,表面能明显观察到疏水纳米二氧化硅,纤维粗糙度较高。
2)测试所制备的单面超疏水聚偏氟乙烯纤维膜的水接触角,其中将具有纤维层的一侧称为疏水改性侧,另一侧称为未改性侧,所得结果见表1;
3)将所制备的单面超疏水聚偏氟乙烯纤维膜安装在气液膜接触器中进行膜法脱硫实验,疏水改性侧接触吸收液,未改性侧接触原料气。实验条件:温度为室温,混合气压力为0.005MPa,吸收液为0.625mol/L乙醇胺溶液,SO2进气浓度为1000ppm,吸收液流量为100mL/min,实验时间为12h;测试所制备的单面超疏水聚偏氟乙烯纤维膜的脱硫性能,所得结果见表1。
表1单面超疏水聚偏氟乙烯纤维膜的水接触角和脱硫性能
根据表1可以看出,经过12h的脱硫测试,单面超疏水聚偏氟乙烯纤维膜两侧的水接触角几乎没有下降,脱硫性能也较稳定。
实施例2
与实施例1的区别在于:疏水纳米二氧化硅占聚偏氟乙烯质量的20%。
性能测试
1)使用扫描电镜对所得单面超疏水聚偏氟乙烯纤维膜进行观察,所得结果如图2所示,图中右上角为细节图,根据SEM图可以看出,膜的表面明显出现条状凸起,且条状凸起表面还出现更高的点状凸起,纤维表面暴露SiO2含量增多。
2)测试所得单面超疏水聚偏氟乙烯膜的水接触角,其中将具有纤维层的一侧称为疏水改性侧,另一侧称为未改性侧,所得结果见表2;
3)按照实施例1的方法进行膜法脱硫实验,测试所得单面超疏水聚偏氟乙烯膜的脱硫性能,所得结果见表2。
表2单面超疏水聚偏氟乙烯膜的水接触角和脱硫性能
根据表2可以看出,经过12h的长期脱硫测试,单面超疏水聚偏氟乙烯膜的水接触角几乎没有下降,SO2吸收通量高达9.7×10-4mol·m-2·s-1,且非常稳定。
实施例3
与实施例1的区别在于:疏水纳米二氧化硅占聚偏氟乙烯质量的40%。
性能测试
1)使用扫描电镜对所得单面超疏水聚偏氟乙烯纤维膜进行观察,所得结果如图3所示,图中右上角为细节图,根据SEM图可以看出,膜表面纤维呈现块状凸起,SiO2聚集明显,纤维表面粗糙度极大。
2)测试所得单面超疏水聚偏氟乙烯膜的水接触角,其中将具有纤维层的一侧称为疏水改性侧,另一侧称为未改性侧,所得结果见表3;
3)按照实施例1的方法进行膜法脱硫实验,测试所得单面超疏水聚偏氟乙烯膜的脱硫性能,所得结果见表3。
表3单面超疏水聚偏氟乙烯膜的水接触角和脱硫性能
根据表3可以看出,经过12h的长期脱硫测试,单面超疏水聚偏氟乙烯膜两侧的水接触角几乎没变,SO2吸收通量仅发生微弱的下降,约下降9%,相对较稳定。
说明:实施例2~3中单面超疏水聚偏氟乙烯膜的总厚度和超疏水纤维层的厚度与实施例1相同;所制备的单面超疏水聚偏氟乙烯膜中聚偏氟乙烯基膜与超疏水纤维层的质量比基本保持不变,均约为10:1。
实施例4
单面超疏水聚苯乙烯纤维膜的超疏水纤维层是疏水纳米二氧化硅(粒径为20~40nm)和聚苯乙烯(PS)静电纺丝形成。
制备方法如下:
(1)制备聚苯乙烯基膜:将市售聚苯乙烯膜在25℃下浸泡于无水乙醇溶液中2h,取出自然晾干后,真空条件下干燥24h,得到聚苯乙烯基膜;
(2)配制二氧化硅-聚苯乙烯纺丝液,纺丝液的组成成分为:聚偏氟乙烯其中纺丝液组成为聚苯乙烯1.6g、N,N-二甲基甲酰胺(沸点为152℃,3.36g)、四氢呋喃(沸点为66℃,5.04g),疏水纳米二氧化硅占聚苯乙烯质量的20%;
纺丝液的制备方法:将疏水纳米二氧化硅0.32g、N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃加入到三口烧瓶中,超声2h后(功率为4000W),加入聚苯乙烯粉末,在60℃下磁力搅拌6h,真空下脱泡12h,得到二氧化硅-聚苯乙烯纺丝液。
(3)静电纺丝:将聚苯乙烯基膜固定于接收滚筒上,设置纺丝参数为纺丝液流量0.7mL/h、湿度40%、接收距离15cm、往返距离12cm,接收时间1h后,取出于45℃下干燥24h,在所述聚苯乙烯基膜的单面形成超疏水纤维层,得到单面超疏水聚偏氟乙烯纤维膜,膜的总厚度为120μm,超疏水纤维层的厚度为13μm,所述聚苯乙烯基膜与超疏水纤维层的质量比为10:1.2。
性能测试
1)测试所得单面超疏水聚苯乙烯纤维膜的水接触角,其中将具有纤维层的一侧称为疏水改性侧,另一侧称为未改性侧,所得结果见表4;
2)按照实施例1的方法进行膜法脱硫实验,测试所得单面超疏水聚苯乙烯纤维膜脱硫性能,所得结果见表4。
表4单面超疏水聚苯乙烯纤维膜的水接触角和脱硫性能
根据表4可以看出,经过12h的长期脱硫测试,单面超疏水聚苯乙烯纤维膜的两侧水接触角几乎没变,特别是疏水改性侧具有较强的耐润性,该单面超疏水聚苯乙烯纤维膜其脱硫性能相对稳定。
实施例5
与实施例1的区别在于:选用疏水纳米二氧化钛粒子(粒径为30~60nm)代替二氧化硅粒子,其中疏水纳米二氧化钛占聚偏氟乙烯质量的20%。
本实施例制备的单面超疏水聚偏氟乙烯纤维膜的总厚度为122μm,超疏水纤维层的厚度为15μm,所述聚偏氟乙烯基膜与超疏水纤维层的质量比为10:1。
性能测试
1)测试所得单面超疏水聚偏氟乙烯纤维膜的水接触角,其中将具有纤维层的一侧称为疏水改性侧,另一侧称为未改性侧,所得结果见表5;
2)按照实施例1的方法进行膜法脱硫实验,测试所得单面超疏水聚偏氟乙烯纤维膜的脱硫性能,所得结果见表5。
表5单面超疏水聚偏氟乙烯纤维膜的水接触角和脱硫性能
根据表5可以看出,经过12h的长期脱硫测试,单面超疏水聚偏氟乙烯纤维膜的疏水改性侧具有较强的耐润性,脱硫性能基本保持稳定。
对比例1
将市售聚偏氟乙烯(PVDF)膜在25℃下浸泡无水乙醇溶液中2h,取出自然晾干后,真空条件下干燥24h,得到聚偏氟乙烯基膜(125μm)。
性能测试
1)使用扫描电镜对所得聚偏氟乙烯膜进行观察,所得结果如图4所示,由图可以看出聚偏氟乙烯表面较为平坦,没有明显凸起。
2)测试所得聚偏氟乙烯膜的水接触角,将表面光滑一面称为正面,另一不光滑面称为反面,所得结果见表6。
表6聚偏氟乙烯膜的水接触角和脱硫性能
根据表6可以看出,经过12h的脱硫测试,聚偏氟乙烯膜的水接触角发生下降,脱硫性能发生明显下降,SO2吸收通量下降将近40%。
对比例2
聚偏氟乙烯纤维膜的疏水纤维层是聚偏氟乙烯静电纺丝形成,在纺丝过程中未加入疏水纳米粒子。
制备方法如下:
(1)选用市售聚偏氟乙烯膜在25℃下浸泡于无水乙醇溶液中2h,取出自然晾干后,真空条件下干燥24h,得到聚偏氟乙烯基膜;
(2)配制聚偏氟乙烯纺丝液,纺丝液的组成成分为:聚偏氟乙烯1.6g、N,N-二甲基甲酰胺(沸点为152℃,5.04g)、N-甲基吡咯烷酮(沸点为205℃,3.36g),
纺丝液的制备方法:将聚偏氟乙烯粉末、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮加入到三口烧瓶中,在60℃下磁力搅拌6h,真空下脱泡12h,得到聚偏氟乙烯纺丝液;
(3)静电纺丝:将聚偏氟乙烯基膜固定于接收滚筒上,设置纺丝参数为纺丝液流量0.5mL/h、湿度50%、接收距离15cm、往返距离12cm,接收时间1h后,取出于45℃下干燥24h,得到聚偏氟乙烯纤维膜,膜的总厚度为125μm,疏水纤维层的厚度为15μm,所述聚偏氟乙烯基膜与超疏水纤维层的质量比为10:1。
性能测试
1)使用扫描电镜对所得单面超疏水聚偏氟乙烯纤维膜进行观察,所得结果如图5所示,图中右上角为细节图,根据SEM图可以看出,纤维表面出现褶皱凸起,纤维表面粗糙,纤维堆积状态较好。
2)测试所得聚偏氟乙烯纤维膜的水接触角,其中将具有纤维层的一侧称为疏水改性侧,另一侧称为未改性侧,所得结果见表7;
3)按照对比例1的方法进行膜法脱硫实验,测试所得聚偏氟乙烯纤维膜的脱硫性能,所得结果见表7。
表7聚偏氟乙烯纤维膜的水接触角和脱硫性能
根据表7可以看出,经过12h的脱硫测试,聚偏氟乙烯纤维膜两侧的水接触角下降趋势较缓,SO2吸收通量下降约13%。
由以上实施例可知,本发明提供了一种单面超疏水聚合物纤维膜及其制备方法和应用,本发明提供的单面超疏水聚合物纤维膜具有优异的疏水性,应用于膜法脱硫中具有优异的稳定性,且脱硫效果好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种单面超疏水聚合物纤维膜在膜法烟气脱硫中的应用,所述单面超疏水聚合物纤维膜的制备方法,包括以下步骤:
将疏水聚合物、疏水纳米粒子、第一溶剂和第二溶剂混合,得到纺丝液;
将所述纺丝液在聚合物基膜的单面进行静电纺丝,在所述聚合物基膜的单面形成超疏水纤维层,得到单面超疏水聚合物纤维膜;
所述第一溶剂和第二溶剂的沸点差≥50℃,所述第一溶剂的沸点低于第二溶剂的沸点;
所述疏水聚合物包括聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚亚胺、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚乙烯和聚苯乙烯中的一种或几种;
所述第一溶剂和第二溶剂独立地包括N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、磷酸三乙酯、四氢呋喃或环丙酮;
所述疏水纳米粒子占疏水聚合物质量的5~100%;所述第一溶剂、第二溶剂和疏水聚合物的质量比为(49.4~51.4):(32.6~34.6):(15~17);
所述疏水纳米粒子包括疏水二氧化硅、疏水二氧化钛、疏水碳纳米管、疏水氧化锌和疏水金属有机骨架中的一种或几种;所述疏水纳米粒子的粒径为10~100nm。
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