CN112851690B

CN112851690B - 低分子量自具微孔聚合物、制备方法与超薄有机溶剂纳滤膜及其制备方法

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Publication number: CN112851690B
Application number: CN202011590486.0A
Authority: CN
Inventors: 张亚涛; 金业豪; 朱军勇; 王景; 单美霞; 董冠英
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2021-12-31
Anticipated expiration: 2040-12-29
Also published as: CN112851690A

Abstract

本发明属于膜技术领域，特别涉及一种低分子量自具微孔聚合物及其制备方法与利用其进行界面聚合制备超薄有机溶剂纳滤膜的方法及获得的产品。本发明将含肟基的自具微孔聚合物当作界面聚合反应单体，发挥了自具微孔聚合物扭曲且刚性骨架结构的优势，在薄膜内构建了高度互连通道。该膜在极性有机溶剂(醇类和酮类)和非极性溶剂(烷烃类和芳香族类)中能保持稳定且较高的渗透性。

Description

低分子量自具微孔聚合物、制备方法与超薄有机溶剂纳滤膜及其制备方法

技术领域

本发明属于膜技术领域，特别涉及一种低分子量自具微孔聚合物、制备方法与超薄有机溶剂纳滤膜及其制备方法。

背景技术

在食品，制药及石油等化工行业中，有机溶剂作为原料、溶剂或者清洁剂在生产过程中被大量使用，因此对有机溶剂的分离及回收处理是必不可少的。相对于传统分离技术，如蒸馏、吸收和萃取等，膜分离工艺具有分离效率高、能耗低和操作简单等优势，逐渐成为与传统分离技术相结合或者完全替代的方法用于有机溶剂的分离回收。但是目前商业上已有的OSN膜大多由致密聚苯并咪唑(PBI)、聚酰亚胺(PI)和聚丙烯腈(PAN)等材料提供的表皮层以及传统界面聚合形成的聚酰胺薄膜制备而成来实现分离。这些自由体积小、致密的结构使得膜具有一定的有机溶剂通量限制。低渗透性增加了OSN过程的成本，降低了工作效率。

发明内容

本发明以获得高渗透性的有机溶剂纳滤膜为目标，提供一种低分子量的功能化的自具微孔聚合物AOPIM-1及其制备方法，并进一步利用低分子量的功能化的自具微孔聚合物通过界面聚合制备超薄有机溶剂纳滤膜，从而解决目前膜分离中有机溶剂渗透率低的问题。

为实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：

一种低分子量的自具微孔聚合物AOPIM-1，其结构式为：

其中n为聚合度，n的取值为3～7。

所述低分子量的自具微孔聚合物AOPIM-1的制备方法，可以用下述反应式表示：

1)

2)

优选地，所述低分子量的功能化的自具微孔聚合物AOPIM-1的制备方法如下：

1)先将TFTPN和TTSBI在保护气氛下溶于DMAC中，完全溶解后再加入K₂CO₃混合，得到的混合液于25～60℃下反应10～30min；反应液缓慢倒入甲醇溶液中，过滤沉淀，所得沉淀经过量的去离子水洗涤后于80～120℃下真空干燥6～12h，得到荧光黄色固体即为PIM-1；

其中，TFTPN、TTSBI和K₂CO₃的物质的量比为1:1:3～3.5，溶剂DMAC的用量按照每克TFTPN采用10ml计。甲醇溶液的浓度无特别限制，体积为DMAC的7倍以上。

2)将步骤1)得到的PIM-1在保护气氛下溶于四氢呋喃中，加入羟胺溶液混合，于65℃～75℃油浴条件下回流反应8～20h；之后反应液倒入乙醇水溶液中，所得沉淀物经过滤洗涤即得所述低分子量自具微孔聚合物AOPIM-1。

该步骤中，PIM-1、四氢呋喃和羟胺溶液的用量比为：m_PIM-1:v_THF:v_羟胺＝1g：50～60ml：10ml，羟胺溶液的用量以质量浓度50％计。该步骤中，乙醇水溶液优选乙醇和水的体积比为1：1。采用乙醇和水的混合液的优势在于：沉淀物析出为粉末状，便于清洗和回收。其浓度无特别限制，体积为四氢呋喃体积的7倍以上。

本发明进一步提供了一种利用上述低分子量自具微孔聚合物进行界面聚合制备超薄有机溶剂纳滤膜的方法，以所述低分子量自具微孔聚合物AOPIM-1与含酰氯化合物反应即可。

所述的制备超薄有机溶剂纳滤膜的方法，包括以下步骤：

1)将AOPIM-1加水制得水相溶液，AOPIM-1的质量体积浓度为0.1～1.5％，优选0.2％；

2)将含酰氯化合物与有机溶剂混合得油相溶液，含酰氯化合物的质量体积浓度为0.02％～0.2％，优选0.05％；

3)油相溶液与水相溶液反应，在水油界面处形成自支撑薄膜；

4)将得到的自支撑薄膜转移到多孔载体上，热处理后获得超薄有机溶剂纳滤膜。

优选地，步骤1)中，所述水为去离子水。

优选地，步骤2)中，所述有机溶剂为正己烷。所述含酰氯化合物选自对苯二甲酰氯、间苯二甲酰氯和均苯三甲酰氯中的一种或者两种以上的混合物。

优选地，步骤3)中，反应时间为0.5～10min，更优选为3min。

优选地，步骤4)中，所述多孔载体选自有机商业超滤膜或无机载体，所述有机商业超滤膜为聚丙烯腈超滤膜或聚酰亚胺超滤膜；所述无机载体为多孔氧化铝膜；热处理的温度为60～80℃，热处理时间为2～5min。

本发明提供的AOPIM-1是一种扭曲且刚性的界面聚合单体，利用刚性且扭曲的单体界面聚合形成高孔隙率的有机溶剂纳滤薄膜是提高有机溶剂渗透性的有效方法。

自具微孔聚合物主要的组成元素为C、H、O、N。其链段结构为扭曲单元和平面单元以共价键连接而成。本发明提供的AOPIM-1的PIMs链段上含有大量的-NH₂，其提供了和含酰氯的化合物反应的可能。本发明所采用的制膜方法为界面聚合，本发明所制得的有机溶剂纳滤膜的分离层厚度为25～100nm，其厚度受到反应单体的浓度大小、比例以及反应时间的影响。

与现有技术相比，本发明的技术效果在于：

1)本发明通过设计合成低分子量的自具微孔聚合物AOPIM-1，使其能够在水溶液中具有很好的分散性，合成方程式如图1所示；

2)首次将自具微孔聚合物AOPIM-1作为界面聚合的反应单体，与含酰氯的化合物在水油自由界面上形成一层薄膜。具体合成步骤如图2所示，同时该薄膜可以自由转移到多孔载体上或者支架上；

3)将界面形成的薄膜转移到聚丙烯腈超滤膜上，如图3所示，由于低分子量的自具微孔聚合物的长链结构，在界面聚合中形成大面积、具有褶皱形貌的薄膜；

4)结合自具微孔聚合物的扭曲且刚性的链状结构，在膜中形成高度互链的孔隙，极大的提高了溶剂的渗透能力；

5)本发明获得的超薄有机溶剂纳滤膜，对极性溶剂(醇类和酮类等)、非极性溶剂(烷烃类和芳香族类)均有较高的渗透性。

附图说明

图1是本发明中自具微孔聚合物AOPIM-1的制备路径；

图2为界面聚合示意图和自支撑薄膜在支架上的光学照片；

图3为界面处形成的自支撑膜转移到商业超滤膜后的照片和扫描电镜图；其中a为低倍数下复合膜的表面形貌；b为分离层的表面形貌区域放大图；c为支撑层表面形貌区域放大图；d.为复合膜的实物照片；

图4为自支撑薄膜在多种有机溶剂下长时间稳定性的测试图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。

实施例1

一种低分子量的功能化的自具微孔聚合物AOPIM-1，其结构式为：

其中，n为聚合度，n的取值为3～7。

所述低分子量的功能化的自具微孔聚合物AOPIM-1的制备方法，包括以下步骤：

1)

2)

具体的，步骤1)中，自具微孔聚合物PIM-1的制备方法为：

A)将TFTPN和TTSBI溶于装有一定量的DMAC的三颈烧瓶中，随后在N₂氛围下用机械搅拌器搅拌溶解；TFTPN和TTSBI与DMAC的用量分别为3g、5.106g、30ml；

B)将K₂CO₃加入步骤A)得到的反应液中，然后将该混合物转移在60℃油浴锅中，反应10min；K₂CO₃的加入量为6.21g；

C)将步骤B)得到的混合物缓慢倒入甲醇溶液中，过滤收集生成的沉淀，用过量的去离子水洗涤，得到产物，并在真空中120℃过夜干燥，得到荧光黄色固体自具微孔聚合物，称量为7.2g。根据GPC测试，PIM-1重均分子量为4927g/mol，多分散指数P＝2.8。

步骤2)中，低分子量含肟基的自具微孔聚合物AOPIM-1的制备方法为在步骤1)的基础上进行以下步骤：

D)将步骤C)得到的产物全部溶入装有430ml四氢呋喃的三颈烧瓶中，随后在N₂氛围下用磁力搅拌溶解；

E)将72ml的羟胺溶液(浓度为50wt.％水溶液)逐滴加入步骤D)的混合物溶液中，然后将反应液转移到65℃的油浴锅中回流8～12h；

F)将步骤E)得到的反应液倒入乙醇和水等体积的混合液中，得到沉淀物，然后过滤洗涤，得低分子量的功能化的自具微孔聚合物。

实施例2

一种低分子量自具微孔聚合物用于界面聚合制备超薄有机溶剂纳滤膜，本实施例中所述纳滤膜由实施例1中制得的低分子量自具微孔聚合物AOPIM-1通过与含酰氯化合物反应得到。含酰氯化合物为均苯三甲酰氯(TMC)。

其制备方法，包括以下步骤：

1)将肟基功能化的自具微孔聚合物AOPIM-1加去离子水混合得水相溶液；其中，AOPIM-1的体积浓度为0.2％(g/ml)(此处是指100ml去离子水中含有200mgAOPIM-1，下同)；

2)将含酰氯化合物(TMC)与正己烷混合得油相溶液；其中，TMC的体积浓度为0.05％(g/ml)；

3)将步骤2)的油相溶液浇铸在步骤1)的水相溶液反应3min，在水油界面处形成自支撑薄膜，控制水相和油相体积比为1：1；

4)将步骤3)得到的自支撑薄膜转移到多孔载体聚丙烯腈超滤膜上，70℃热处理3min即得超薄有机溶剂纳滤膜。

实施例3

本实施例中的一种低分子量自具微孔聚合物用于界面聚合制备超薄有机溶剂纳滤膜，与实施例2不同之处在于：步骤3)中，反应1min，其余同实施例2。

实施例4

本实施例中的一种低分子量自具微孔聚合物用于界面聚合制备超薄有机溶剂纳滤膜，与实施例2不同之处在于：步骤3)中，反应5min，其余同实施例2。

实施例5

本实施例中的一种低分子量自具微孔聚合物用于界面聚合制备超薄有机溶剂纳滤膜，与实施例2不同之处在于：步骤1)中，AOPIM-1的加入质量(g)为水相溶液体积(ml)的0.1％，其余同实施例2。

实施例6

本实施例中的一种低分子量自具微孔聚合物用于界面聚合制备超薄有机溶剂纳滤膜，与实施例2不同之处在于：步骤1)中，AOPIM-1的加入质量(g)为水相溶液体积(ml)的0.3％，其余同实施例2。

实施例7

本实施例中的一种低分子量自具微孔聚合物用于界面聚合制备超薄有机溶剂纳滤膜，与实施例2不同之处在于：步骤4)中，70℃热处理2min，其余同实施例2。

实施例8

本实施例中的一种低分子量自具微孔聚合物用于界面聚合制备超薄有机溶剂纳滤膜，与实施例2不同之处在于：步骤4)中，70℃热处理4min，其余同实施例2。

对比例1

本对比例提供一种PIP-TMC膜，其制备方法同实施例2，与实施例2不同之处在于：采用哌嗪(PIP)替代肟基功能化的自具微孔聚合物AOPIM-1，其他皆同实施例2。

性能测试

1、对实施例2的膜进行电镜测试，结果如图3所示，同时，图3还给出了自支撑膜转移至商业超滤膜的照片。

2、稳定性测试：测定所述有机溶剂纳滤膜在有机溶剂中的稳定性测试。具体的，将水油界面处形成的自支撑膜转移至装有不同溶剂(水、丙酮、甲醇、甲苯、正己烷)的容器中。经过14天的长时间浸泡后，情况如图4所示。

可以看出：经过14天长时间浸泡，自支撑膜在极性质子性溶剂(水和甲醇)、极性非质子性溶剂(丙酮)、非极性溶剂(正己烷)和芳香族溶剂(甲苯)中都能保持结构完整，表明薄膜在广泛的溶剂中具有优良的稳定性。

3、染料截留测试：将四种不同分子量的染料刚果红(Mw:696Da)、直接红(Mw:813Da)、活性黑(Mw:992Da)、玫瑰红(Mw:1017Da)溶入乙醇溶液中，浓度为20ppm。截留率是用紫外分光光度计测试膜截留前后的染料在乙醇中的吸光度来计算。

渗透测试：将膜用于有机溶剂渗透时，先采用0.4～0.6MPa的压力压膜，压膜时间为30～120min。目的在于减少实验误差，以获得稳定准确的实验结果。待溶剂渗透性稳定后，在操作压力为0.4MPa进行测试。

渗透测试采用的装置为死端压滤装置，有效过滤面积为3.14cm²。

将膜放入测试装置中，在室温和0.4MPa条件下，利用甲醇、乙醇、正己烷、甲苯、四氢呋喃等纯溶剂在死端装置中进行溶剂渗透性测试。

本发明实施例2的膜对甲醇、乙醇、正己烷、甲苯、四氢呋喃的渗透性分别达到了31、15、27、7和9Lm^-2h^-1bar^-1，其对染料刚果红、直接红、活性黑和玫瑰红的截留率分别为92％、95％、94.6％和95.2％。实施例3和4，探究了反应时间对膜渗透选择性能的影响，所制膜对甲醇的渗透性分别达到了49和17.65L m^-2h^-1bar^-1，对玫瑰红的截留率分别为89％和96％。表明反应时间从1min延长到5min，渗透性降低，玫瑰红截留率提高。实施例5和6，探究了反应单体AOPIM-1浓度对膜渗透选择性的影响，所制膜对甲醇的渗透性分别达到了34.3和29.6L m^-2h^-1bar^-1，对玫瑰红的截留率分别为94％和95％。表明AOPIM-1质量体积浓度的从1％到3％对膜渗透选择性影响不是很明显。实施例7和8，探究了热交联时间对膜渗透选择性的影响，所制膜对甲醇的渗透性分别达到了34.7和23.3L m^-2h^-1bar^-1，对玫瑰红的截留率分别为92％和95％。表明热交联时间从2min增加至4min，膜的渗透性有所降低，截留率提升。

对比例1中PIP-TMC膜对甲醇的渗透性为2.1L m^-2h^-1bar^-1，乙醇、正己烷、甲苯、四氢呋喃几乎无渗透性。可见，本发明的AOPIM-TMC膜具有较高的渗透性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种低分子量自具微孔聚合物，其特征在于，其结构式为：

其中，n为聚合度；

所述聚合物通过下述步骤获得：

1）先将四氟对苯二腈TFTPN和5,5',6,6'螺旋双茚满TTSBI在保护气氛下溶于二甲基乙酰胺DMAC中，完全溶解后再加入K₂CO₃混合，得到的混合液于25℃~60℃下反应10~30min；反应液倒入甲醇溶液中，所得沉淀清洗后经80℃~120℃真空干燥6~12h得PIM-1；

2）将步骤1）得到的PIM-1在保护气氛下溶于四氢呋喃中，加入羟胺溶液混合，于65℃~75℃油浴条件下回流反应8～20h；之后反应液倒入乙醇水溶液中，所得沉淀物经清洗即得所述低分子量自具微孔聚合物。

2.权利要求1所述低分子量自具微孔聚合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.如权利要求2所述低分子量自具微孔聚合物的制备方法，其特征在于，步骤1）中，TFTPN、TTSBI和 K₂CO₃的物质的量比为1:1:3~3.5，溶剂DMAC的用量按照每克TFTPN采用10ml计；步骤2）中，PIM-1、四氢呋喃和羟胺溶液的用量比为：m_PIM-1:v_THF:v_羟胺 =1g：50~60ml：10ml。

4.一种利用权利要求1所述低分子量自具微孔聚合物进行界面聚合制备超薄有机溶剂纳滤膜的方法，其特征在于，以所述低分子量自具微孔聚合物与含酰氯化合物反应获得，所述含酰氯化合物选自对苯二甲酰氯、间苯二甲酰氯和均苯三甲酰氯中的一种或者两种以上的混合物。

5.如权利要求4所述的制备超薄有机溶剂纳滤膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将低分子量自具微孔聚合物加水制得水相溶液，低分子量自具微孔聚合物的质量体积浓度为0.1%～1.5%；

2）将含酰氯化合物与有机溶剂混合得油相溶液，含酰氯化合物的质量体积浓度为0.02%～0.2%；

3）油相溶液与水相溶液反应，在水油界面处形成自支撑薄膜；

4）将得到的自支撑薄膜转移到多孔载体上，热处理后获得超薄有机溶剂纳滤膜。

6.如权利要求5所述的制备超薄有机溶剂纳滤膜的方法，其特征在于，步骤1）中所述水为去离子水，步骤2）中所述有机溶剂为正己烷。

7.如权利要求5所述的制备超薄有机溶剂纳滤膜的方法，其特征在于，步骤3）中，反应时间为0.5～10min。

8.如权利要求5所述的制备超薄有机溶剂纳滤膜的方法，其特征在于，步骤4）中，热处理的温度为60～80℃，热处理时间为2～5min。

9.权利要求4-8任一所述方法获得的超薄有机溶剂纳滤膜。