CN113856483B - 一种高脱硼聚酰胺反渗透膜及其制备方法 - Google Patents

一种高脱硼聚酰胺反渗透膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高脱硼聚酰胺反渗透膜及其制备方法，制备步骤包括(1)将间苯二胺、环丙胺嗪和水混合均匀，然后加入焦亚硫酸钠调节溶液PH为7‑8，得水相溶液；(2)将芳香族多元酰氯和有机溶剂混合均匀，得油相溶液；(3)将基膜浸入到步骤(1)配制的水相溶液中浸渍，取出并除去膜表面的水相溶液后，再将其浸入到步骤(2)配制的油相溶液中进行界面聚合反应，反应完成后除去膜表面的油相溶液，经热处理、水洗后，制得高脱硼聚酰胺反渗透膜。该膜片不但脱硼效果优异，还同时具有高水通量和截盐率。本发明方法操作过程简单，在聚酰胺反渗透膜规模化生产中的应用前景非常广阔。

Description

一种高脱硼聚酰胺反渗透膜及其制备方法
技术领域
本发明属于反渗透技术领域，具体涉及一种高脱硼聚酰胺反渗透膜及其制备方法。
背景技术
反渗透是一种利用物理分离方法来达到净水目的的洁净技术。聚酰胺反渗透复合膜具有高的离子截留率和优良的产水效率，在中水回用、海水淡化、苦咸水脱盐等领域得到广泛应用。
动物实验显示硼具有再生性毒性，其含量大于2mg/L时会使植物中毒，过量的硼也会使人出现头晕、恶心及肾衰竭等症状。由于硼酸大部分以分子形式存在于水中，且尺寸极小，所以常规反渗透膜对硼的截留效果较差，未能达到世界卫生组织对饮用水含硼量的建议值(<0.5mg/L)。目前，工业上主要通过多级反渗透及增加预处理步骤等方法来提高对硼的截留效果，但成本相应增加。反渗透技术的核心是高性能的反渗透膜，因此制备具有高脱硼的反渗透膜，从源头提高脱硼效果。
目前，提高反渗透膜脱硼率的方法主要有两种：(1)减小反渗透膜的孔径，增加硼酸分子透过时的传质阻力；(2)调节反渗透膜的化学极性，减弱其与硼酸分子的氢键作用力。专利CN100379488C通过配制一元胺和多元胺水溶液与脂肪酰氯反应，经次氯酸钠后处理，制得具有高脱硼反渗透膜，但该方法在提高脱硼率时，会降低膜片的渗透性；Zhang和Raval等通过合成磺化二胺取代间苯二胺，利用高密度磺酸基，实现对硼的高截留，但该方法难以兼顾脱硼和截盐性能；Shultz等通过醇溶胀将疏水性脂肪胺嵌入膜孔内，增强疏水性和缩小孔径双重作用提高脱硼效果，但该方法不仅需要多步处理，同时在提高脱硼率时，也会降低膜片的渗透性。
可见，虽然现有技术中已形成一些提高聚酰胺反渗透膜脱硼效果的技术方案，但是这些技术方案在提升脱硼效果时均会不同程度导致膜片其它性能的降低，尤其是难以兼顾膜片分离与透过性能，还存在一些不够成熟或仍有待进一步改善的空间。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供一种高脱硼聚酰胺反渗透膜及其制备方法，其关键技术是将环丙胺嗪作为一种反应单体加入到间苯二胺水溶液中进行界面聚合反应。该制备方法简单，易于操作，便于实现工业化生产，该膜片不但脱硼效果优异，还同时具有高水通量和截盐率，在提升分离性能的同时兼顾了膜片透过性，综合性能优异。
本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种高脱硼聚酰胺反渗透膜的制备方法，其包括如下步骤：
(1)水相体系的配制：将间苯二胺、环丙胺嗪和水混合均匀，然后加入焦亚硫酸钠调节溶液PH为7-8，得水相溶液；
(2)油相溶液的配制：将芳香族多元酰氯和有机溶剂混合均匀，得油相溶液；
(3)界面聚合及热处理:将基膜浸入到步骤(1)配制的水相溶液中浸渍，取出并除去膜表面的水相溶液后，再将其浸入到步骤(2)配制的油相溶液中进行界面聚合反应，反应完成后除去膜表面的油相溶液，经热处理、水洗后，制得高脱硼聚酰胺反渗透膜。
本发明制备方法，步骤(1)中，所述水相溶液中，间苯二胺的浓度为2-6wt％，优选2.5-5wt％，环丙胺嗪的浓度为0.01-1wt％，优选0.05-0.40wt％。
本发明制备方法，步骤(2)中，所述油相溶液中，芳香族多元酰氯的浓度为0.1-0.3wt％，优选0.15-0.25wt％。
本发明制备方法，步骤(2)中，所述芳香族多元酰氯为均苯三甲酰氯、间苯二甲酰氯、对苯二甲酰氯中的任意一种或至少两种的组合，优选均苯三甲酰氯。
本发明制备方法，步骤(2)中，所述有机溶剂为正己烷、环己烷、正庚烷和Isopar L异构烷烃中的任意一种或至少两种的组合，优选IsoparL异构烷烃。
本发明制备方法，步骤(3)中，所述基膜选自无纺布支撑的超滤膜，其中所述超滤膜为聚砜膜或聚醚砜膜，超滤膜孔径为20-50nm。
本发明制备方法，步骤(3)中，所述浸渍时间为0.5-5min，优选0.5-2min；浸渍温度为室温，优选25-45℃；所述浸渍完成取出后优选用橡胶辊除去膜表面多余的水相溶液。
本发明制备方法，步骤(3)中，所述界面聚合反应，反应时间为0.5-4min，优选0.5-2min，反应温度为25-90℃，优选25-50℃；所述界面聚合反应完成后优选用风刀除去膜表面多余的油相溶液。
本发明制备方法，步骤(3)中，所述热处理，温度为60-90℃，优选70-80℃，时间为0.5-3min，优选0.5-1min，热处理过程优选在烘箱中进行。
本发明制备方法，步骤(3)中，所述水洗，采用60-90℃，优选80-90℃的热水清洗，清洗时间1-10min，优选2-5min。
在本发明制备方法中，将环丙胺嗪分子加入到含间苯二胺的水相溶液中，环丙胺嗪分子结构具有两个伯胺和一个环丙烷基团，一方面利用环丙胺嗪中环丙烷与脂肪油的相似相溶，提高油相中胺含量和胺扩散速度，从而提高聚酰胺交联度和聚酰胺“叶片”大小，交联度的提高使得聚酰胺分离层具有更小的孔径，从而提高了截盐率和脱硼率，同时，聚酰胺“叶片”的增大，使得聚酰胺具有更大的过滤面积，保证了膜片具有高的水通量；另一方面环丙胺嗪作为反应单体穿插在聚酰胺网络结构中，其分子中的环丙烷基团不仅能降低聚酰胺的极性，而且可以增加聚酰胺网络间的空间位阻，从而制得具有低极性和高交联度的聚酰胺分离功能层，该聚酰胺分离层可以增加硼酸分子透过阻力，同时降低硼酸与水分子间的氢键作用，从而选择性提高膜片脱硼率。
本发明还提供一种由上述方法制备的高脱硼聚酰胺反渗透膜。
本发明提供的高脱硼聚酰胺反渗透膜适用于中水回用、海水淡化、苦咸水脱盐等领域，尤其适合用于海水淡化，具有高脱硼、高水通量和截盐率等优点。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
通过在水相加入环丙胺嗪作为反应单体，可以通过界面聚合一步法实现对聚酰胺结构的有效调控，从而制得同时具有高脱硼、高水通量和截盐率的反渗透膜，该方法简单易行，便于工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的聚酰胺反渗透膜表面30k倍SEM图；
图2为本发明对比例1制备的聚酰胺反渗透膜表面30k倍SEM图。
具体实施方式
以下具体实施例是对本发明提供的技术方案的进一步说明，但不应理解为对本发明的限制。
一、本发明原料均由市场购买得到，实施例中采用的主要原料来源如下：
原料名称 参数指标 生产厂家
聚砜 P3500 LCPMB7 苏威
硼酸 分析纯 科密欧
间苯二胺 分析纯 阿拉丁
均苯三甲酰氯 分析纯 百灵威
环丙胺嗪 分析纯 阿拉丁
IsoparL 工业级 埃克森美孚
环丙胺 分析纯 阿拉丁
焦亚硫酸钠 分析纯 阿拉丁
氯化钠 分析纯 百灵威
正己烷 分析纯 百灵威
正庚烷 分析纯 阿拉丁
二、本发明高脱硼聚酰胺反渗透膜采用的性能评价方法：
膜性能测试：
1、水通量(F)定义为：在一定操作压力下，单位时间内透过单位膜面积的水的体积，单位为L/m2/h。
2、截盐率(R)定义为：在一定的操作条件下，进料液盐浓度(Cf)与渗透液中盐浓度(Cp)之差，再除以进料液盐浓度。
3、脱硼率(Rb)定义为：在一定的操作条件下，进料液硼浓度与渗透液中硼浓度之差，再除以进料液硼浓度(通过ICP法表征溶液中硼浓度)。
本发明中进行的聚酰胺反渗透复合膜性能测定采用的操作条件为：进液为32000ppm的氯化钠水溶液，硼含量5ppm，操作压力为5.52MPa，操作温度为25℃，水溶液pH为8。
实施例1
(1)水相溶液的配制：将间苯二胺、环丙胺嗪和水混合均匀后，加入焦亚硫酸钠调节溶液PH为7-8，得水相溶液，水相溶液中间苯二胺的浓度为3.5wt％，环丙胺嗪的浓度为0.2wt％；
(2)油相溶液的配制：将均苯三甲酰氯溶解在正己烷中，搅拌均匀后得油相溶液，油相溶液中均苯三甲酰氯的浓度为0.25wt％；
(3)界面聚合及热处理：将无纺布支撑的聚砜膜直接浸入到步骤(1)配制的温度为25℃的水相溶液中，浸渍时间为1min，取出后用橡胶辊挤压，除去聚砜膜表面多余的水相溶液，再将其浸入到步骤(2)配制的油相溶液中进行界面聚合反应，反应温度25℃、时间1min，热处理温度为90℃，时间为0.5min，取出后用90℃热水清洗2min，制得高脱硼聚酰胺反渗透膜。
实施例2
(1)水相溶液的配制：将间苯二胺、环丙胺嗪和水混合均匀后，加入焦亚硫酸钠调节溶液PH为7-8，得水相溶液，水相溶液中间苯二胺的浓度为2.5wt％，环丙胺嗪的浓度为1wt％；
(2)油相溶液的配制：将均苯三甲酰氯溶解在IsoparL中，搅拌均匀后得油相溶液，油相溶液中均苯三甲酰氯的浓度为0.2wt％；
(3)界面聚合及热处理：将无纺布支撑的聚醚砜膜直接浸入到步骤(1)配制的温度为35℃的水相溶液中，浸渍时间为3min，取出后用橡胶辊挤压，除去聚砜膜表面多余的水相溶液，再将其浸入到步骤(2)配制的油相溶液中进行界面聚合反应，反应温度35℃、时间2min，热处理温度为60℃，时间为2min，取出后用60℃热水清洗5min，制得高脱硼聚酰胺反渗透膜。
实施例3
(1)水相溶液的配制：将间苯二胺、环丙胺嗪和水混合均匀后，加入焦亚硫酸钠调节溶液PH为7-8，得水相溶液，水相溶液中间苯二胺的浓度为5wt％，环丙胺嗪的浓度为0.05wt％；
(2)油相溶液的配制：将均苯三甲酰氯溶解在正庚烷中，搅拌均匀后得油相溶液，油相溶液中均苯三甲酰氯的浓度为0.3wt％；
(3)界面聚合及热处理：将无纺布支撑的聚砜膜直接浸入到步骤(1)配制的温度为45℃的水相溶液中，浸渍时间为0.5min，取出后用橡胶辊挤压，除去聚砜膜表面多余的水相溶液，再将其浸入到步骤(2)配制的油相溶液中进行界面聚合反应，反应温度50℃、时间0.5min，热处理温度为70℃，时间为1min，取出后用90℃热水清洗2min，制得高脱硼聚酰胺反渗透膜。
实施例4
(1)水相溶液的配制：将间苯二胺、环丙胺嗪和水混合均匀后，加入焦亚硫酸钠调节溶液PH为7-8，得水相溶液，水相溶液中间苯二胺的浓度为4wt％，环丙胺嗪的浓度为0.1wt％；
(2)油相溶液的配制：将均苯三甲酰氯溶解在正己烷中，搅拌均匀后得油相溶液，油相溶液中均苯三甲酰氯的浓度为0.1wt％；
(3)界面聚合及热处理：将无纺布支撑的聚砜膜直接浸入到步骤(1)配制的温度为25℃的水相溶液中，浸渍时间为0.5min，取出后用橡胶辊挤压，除去聚砜膜表面多余的水相溶液，再将其浸入到步骤(2)配制的油相溶液中进行界面聚合反应，反应温度50℃、时间0.5min，热处理温度为60℃，时间为1min，取出后用90℃热水清洗2min，制得高脱硼聚酰胺反渗透膜。
对比例1
参照实施例1，制备方法与实施例1的不同之处仅在于：步骤(1)水相溶液的配制过程中不添加环丙胺嗪。
对比例2
参照实施例1，制备方法与实施例1的不同之处仅在于：步骤(1)水相溶液的配制过程中将环丙胺嗪替换为等质量的环丙胺。
对实施例1～4及对比例1和2制备的聚酰胺反渗透膜进行分离性能测试，测试结果见表1。
表1
Figure BDA0003341993290000081
从实施例1～4及对比例可以看出，将环丙胺嗪加入到水相中进行界面聚合能够显著提高聚酰胺反渗透膜的截盐率和脱硼率。
对实施例1制备的聚酰胺反渗透膜片(图1)和对比例1制备的聚酰胺反渗透膜片(图2)进行SEM表征，表征结果显示加入环丙胺嗪后，复合膜表面聚酰胺大“叶片”增多，这有利于增加膜片表面的透水面积，因此在制得的膜片具有高脱硼、脱盐率的同时还具有高水通量。

Claims (18)

1.一种高脱硼聚酰胺反渗透膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将间苯二胺、环丙胺嗪和水混合均匀，然后加入焦亚硫酸钠调节溶液pH为7-8，得水相溶液；
(2)将芳香族多元酰氯和有机溶剂混合均匀，得油相溶液；
(3)将基膜浸入到步骤(1)配制的水相溶液中浸渍，取出并除去膜表面的水相溶液后，再将其浸入到步骤(2)配制的油相溶液中进行界面聚合反应，反应完成后除去膜表面的油相溶液，经热处理、水洗后，制得高脱硼聚酰胺反渗透膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述水相溶液中，间苯二胺的浓度为2-6wt％，环丙胺嗪的浓度为0.01-1wt％。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述水相溶液中，间苯二胺的浓度为2.5-5wt％，环丙胺嗪的浓度为0.05-0.40wt％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，芳香族多元酰氯的浓度为0.1-0.3wt％。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述芳香族多元酰氯的浓度为0.15-0.25wt％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述芳香族多元酰氯为均苯三甲酰氯、间苯二甲酰氯、对苯二甲酰氯中的任意一种或至少两种的组合；
所述有机溶剂为正己烷、环己烷、正庚烷和Isopar L异构烷烃中的任意一种或至少两种的组合。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述芳香族多元酰氯为均苯三甲酰氯；
所述有机溶剂为IsoparL异构烷烃。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述基膜选自无纺布支撑的超滤膜，其中所述超滤膜为聚砜膜或聚醚砜膜，超滤膜孔径为20-50nm。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述浸渍时间为0.5-5min，浸渍温度为25-45℃。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述浸渍时间为0.5-2min。
11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，反应时间为0.5-4min，反应温度为25-90℃。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述反应时间为0.5-2min，反应温度为25-50℃。
13.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述热处理，温度为60-90℃，时间为0.5-3min；
所述水洗，采用60-90℃的热水清洗，清洗时间1-10min。
14.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述热处理，温度为70-80℃，时间为0.5-1min。
15.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述水洗，采用80-90℃的热水清洗，清洗时间2-5min。
16.一种由权利要求1-15任一项所述方法制备的高脱硼聚酰胺反渗透膜。
17.权利要求1-15任一项所述方法制备的高脱硼聚酰胺反渗透膜在中水回用、海水淡化、苦咸水脱盐领域的应用。
18.根据权利要求17所述的的应用，其特征在于，适合用于海水淡化。
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