CN114130224A - 一种高通量聚酰胺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聚酰胺复合纳滤膜及其制备方法,所述高通量聚酰胺复合纳滤膜以金属‑有机多面体为填料及水相共同单体,赖氨酸为水相主要单体,均苯三甲酰氯为油相单体,在聚丙烯腈超滤膜支撑体表面界面聚合而成。本发明的高通量聚酰胺复合纳滤膜,可有效避免常规聚酰胺复合纳滤膜制备中填料颗粒团聚、填料‑聚酰胺基质不相容等问题的出现,提高填料在聚酰胺分离层内分布的均匀性和膜制备的可重复性。
Description
技术领域
本发明涉及纳滤膜分离技术领域,具体涉及一种高通量聚酰胺复合纳滤膜及其制备方法。
背景技术
纳滤膜是介于反渗透膜和超滤膜之间的一种分离膜,由于其孔径大约在1nm左右,并且膜表面多带有电荷,因此常被应用于水处理领域。它能够使低分子量溶质、低价离子通过而截留较高分子量的有机物和多价离子,具有独特的分离性能和分离精度。
聚酰胺纳滤膜是当前最为常见的纳滤膜类型,但是纯聚酰胺纳滤膜存在结构致密、水通量不足等缺点。近年来,有研究人员通过在聚酰胺分离层中掺杂无机多孔填料(如二氧化硅、沸石分子筛)对聚酰胺纳滤膜的性能进行改善。由于多孔填料的掺杂,所制备的复合纳滤膜的聚酰胺层中具有额外的传质通道,因此通常在渗透通量方面具有明显的提高。除了无机多孔填料以外,金属-有机骨架(MOF)材料也是该领域的研究热点之一。MOF材料具有高比表面积和孔隙率,种类和结构多样,同时结构可设计性、孔道尺寸可调节性强,在针对特定分离体系设计适当的膜材料方面具有更多的优势。
但是,无机多孔填料和MOF填料存在一个共同的问题,那就是填料在聚酰胺层中的分布以及填料与聚酰胺基质间的界面结构难以调控。填料颗粒的团聚以及填料-聚酰胺基质间相容性差往往会导致聚酰胺层内颗粒分布不均、填料掺杂量低、以及膜内缺陷等情况出现,从而严重降低膜的性能和制备稳定性。
发明内容
为此,本发明要解决的技术问题是克服现有技术中的聚酰胺纳滤膜存在的上述不足,进而提供一种高通量聚酰胺复合纳滤膜及其制备方法。该制备方法简单易操作,所制备的纳滤膜具有较高纳滤性能和重复性,能够提高填料在聚酰胺分离层内分布的均匀性。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种高通量聚酰胺复合纳滤膜,其特征在于:所述通量聚酰胺复合纳滤膜以金属-有机多面体为填料及水相共同单体,赖氨酸为水相主要单体,均苯三甲酰氯为油相单体,在聚丙烯腈超滤膜支撑体表面界面聚合而成。
优选的,所述金属-有机多面体为UMOP-1-NH2,其化学式为:[Cp3Zr3O(OH)3]4[BDC-NH2]6[(C2H5)2NH2]2Cl6。
优选的,所述UMOP-1-NH2填料以分子笼形式溶解在水相溶液中。
一种高通量聚酰胺复合纳滤膜的制备方法,其包括如下步骤:
S1:将赖氨酸和UMOP-1-NH2溶解于水相溶剂中,形成水相单体溶液;
S2:将均苯三甲酰氯溶解在正己烷中,形成油相单体溶液;
S3:将多孔基膜(如聚砜、聚丙烯腈超滤膜)浸泡于步骤S1所得的水相单体溶液中设定时间,然后除去多孔基膜表面残留的溶液;
S4:步骤S3所得的多孔基膜再浸泡于步骤S2所得的油相单体溶液中反应设定时间,烘干后得到高通量聚酰胺复合纳滤膜产品。
优选的,所述步骤S3中的多孔基膜为商品化超滤膜,如聚砜、聚丙烯腈超滤膜等。
优选的,所述步骤S3中多孔基膜浸泡于步骤S1所得的水相单体溶液中设定时间为10min。
优选的,所述步骤S4中的多孔基膜浸泡于步骤S2所得的油相单体溶液中反应设定时间为2~6min。
优选的,所述步骤S1中所用的水相溶剂为甲醇与水的混合溶剂。
优选的,所述水相溶剂中的甲醇与水的体积比为10:90。
优选的,所述步骤S1中的水相单体溶液中赖氨酸的质量浓度为0.5~2.0%w/v。
优选的,所述步骤S1中的水相单体溶液中UMOP-1-NH2的质量浓度为0.05~0.25%w/v。
优选的,所述步骤S2中的均苯三甲酰氯油相溶液中均苯三甲酰氯的浓度为0.05~0.15%w/v。
本发明的高通量聚酰胺复合纳滤膜及其制备方法至少具有如下有益效果:
1.本发明以可溶、可参与聚合反应的UMOP-1-NH2作为填料,可有效避免常规聚酰胺复合纳滤膜制备中填料颗粒团聚、填料-聚酰胺基质不相容等问题的出现,提高填料在聚酰胺分离层内分布的均匀性和膜制备的可重复性。
2.本发明的UMOP-1-NH2的共聚掺杂可在聚酰胺分离层内引入大量额外的传质通道,有益于膜渗透性能的提高。
3.由于UMOP-1-NH2的共聚掺杂会影响界面聚合过程水相单体的扩散速率,从而诱导膜表面形成高比表面积的沟壑结构,起到增加膜有效渗透面积的作用,进而有利于膜渗透性能的提高。
4.本发明的高通量聚酰胺复合纳滤膜具有较高的纯水通量(可达56.8L·m-2·h-1·bar-1)以及较高的染料截留效果;还具有优异的抗污染和抗菌性能。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解,下面结合附图,对本发明作进一步详细的说明,其中:
图1是为水相中赖氨酸、UMOP-1-NH2和油相中均苯三甲酰氯反应过程示意图;
图2a是为本发明的高通量聚酰胺复合纳滤膜的表面的扫描电镜图;
图2b是为本发明的高通量聚酰胺复合纳滤膜的截面的扫描电镜图;
图3为本发明的高通量聚酰胺复合纳滤膜在不同UMOP-1-NH2掺杂量下的水渗透通量和刚果红截留率;
图4为本发明的高通量聚酰胺复合纳滤膜的染料截留性能示意图;
图5是本发明的高通量聚酰胺复合纳滤膜的制备方法流程图。
具体实施方式
参见图1,本发明的高通量聚酰胺复合纳滤膜,以金属-有机多面体UMOP-1-NH2为填料及水相共同单体,赖氨酸为水相主要单体,均苯三甲酰氯为油相单体,在聚丙烯腈超滤膜支撑体表面界面聚合而成。UMOP-1-NH2填料能够以分子笼形式溶解在水相溶液中,同时结构中含有氨基,可参与界面聚合,因此能够保证填料在膜内的均匀分布且填料与聚合物间具有理想的界面结构;UMOP-1-NH2的共聚掺杂可通过影响水相单体的扩散速率,诱导聚酰胺层形成具有高比表面积的沟壑结构,同时无缺陷的在聚酰胺层中引入额外的传质通道,从而有效的提升膜的水通量。
参见图5,及图1~图4,本发明的高通量聚酰胺复合纳滤膜的制备方法,包括如下步骤:
S1:将赖氨酸和UMOP-1-NH2溶解于水相溶剂中,形成水相单体溶液;
S2:将均苯三甲酰氯溶解在正己烷中,形成油相单体溶液;
S3:将多孔基膜(如聚砜、聚丙烯腈超滤膜)浸泡于步骤S1所得的水相单体溶液中10min,然后除去多孔基膜表面残留的溶液;
S4:步骤S3所得的多孔基膜再浸泡于步骤S2所得的油相单体溶液中反应2~6min,烘干后得到高通量聚酰胺复合纳滤膜产品。
所述步骤S3中的多孔基膜为商品化超滤膜(如聚砜、聚丙烯腈超滤膜)。
所述步骤S1中所用的水相溶剂为甲醇与水的混合溶剂,甲醇与水的体积比为10:90。
所述步骤S1中的水相单体溶液中赖氨酸的质量浓度为1.0%w/v;UMOP-1-NH2的质量浓度为0.05~0.25%w/v。
所述步骤S2中的均苯三甲酰氯油相溶液中均苯三甲酰氯的浓度为0.15%w/v。
作为一种具体的实施方式,所述高通量聚酰胺复合纳滤膜的制备包括步骤如下:
(1)将20mg UMOP-1-NH2溶解于10mL甲醇/水混合溶剂(体积比10/90)中,加入赖氨酸1%(w/v),形成水相单体溶液;
(2)将15mg均苯三甲酰氯溶解于10mL正己烷中,形成均苯三甲酰氯油相溶液;
(3)将多孔基膜先浸泡于水相单体溶液中10min,然后取出,除去基膜表面残留的溶液,再浸泡于油相单体溶液中反应5min,烘干,得到所述的高通量聚酰胺复合纳滤膜。用0.1g/L的刚果红水溶液在0.3Mpa压力下测试膜的渗透性能,所得纳滤膜对刚果红的截留率为99.8%,水通量是27.3L·m-2·h-1·bar-1。
图3为本实施例制备的高通量聚酰胺复合纳滤膜的水通量及染料截留性能,可见本实施例制备的纳滤膜具有非常高的水通量以及良好的染料截留性能。
在其他实施例(如下表的实施例2-6)中,所述高通量聚酰胺复合纳滤膜的制备方法的步骤与上述实施例是相同的,只是在水相溶液中的UMOP-1-NH2掺杂量不同时得到的高通量聚酰胺复合纳滤膜的效果有所区别,具体如下表所示:
通过上述实施例可得知,当UMOP-1-NH2的用量在5-25mg时,用0.1g/L的刚果红水溶液在0.3Mpa压力下测试膜的渗透性能,所得纳滤膜对刚果红的截留率均可达99.1%以上,水通量相比纯聚酰胺膜均有较大幅度的提升,达到9.1L·m-2·h-1·bar-1以上,且随UMOP-1-NH2的用量而规律性变化,能够达到预期的技术目的。而实施例2作为对比实施例,当UMOP-1-NH2的含量为0时,则水通量的实验结果只有5.0L·m-2·h-1·bar-1,由此可见UMOP-1-NH2在本发明的高通量聚酰胺复合纳滤膜中具有重要作用。
上述具体实施方式只是对本发明的技术方案进行详细解释,本发明并不只仅仅局限于上述实施例,本领域技术人员应该明白,凡是依据上述原理及精神在本发明基础上的改进、替代,都应在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高通量聚酰胺复合纳滤膜,其特征在于:所述高通量聚酰胺复合纳滤膜以金属-有机多面体为填料及水相共同单体,赖氨酸为水相主要单体,均苯三甲酰氯为油相单体,在聚丙烯腈超滤膜支撑体表面界面聚合而成。
2.根据权利要求1所述的高通量聚酰胺复合纳滤膜,其特征在于:所述金属-有机多面体为UMOP-1-NH2。
3.根据权利要求2所述的高通量聚酰胺复合纳滤膜,其特征在于:所述UMOP-1-NH2填料以分子笼形式溶解在水相溶液中。
4.一种高通量聚酰胺复合纳滤膜的制备方法,其特征在于包括如下步骤:
S1:将赖氨酸和UMOP-1-NH2溶解于水相溶剂中,形成水相单体溶液;
S2:将均苯三甲酰氯溶解在正己烷中,形成油相单体溶液;
S3:将多孔基膜(如聚砜、聚丙烯腈超滤膜)浸泡于步骤S1所得的水相单体溶液中设定时间,然后除去多孔基膜表面残留的溶液;
S4:步骤S3所得的多孔基膜再浸泡于步骤S2所得的油相单体溶液中反应设定时间,烘干后得到高通量聚酰胺复合纳滤膜产品。
5.根据权利要求4所述的高通量聚酰胺复合纳滤膜的制备方法,其特征在于:所述步骤S3中的多孔基膜为商品化超滤膜。
6.根据权利要求4所述的高通量聚酰胺复合纳滤膜的制备方法,其特征在于:所述步骤S4中的多孔基膜浸泡于步骤S2所得的油相单体溶液中反应设定时间为2~6min。
7.根据权利要求4所述的高通量聚酰胺复合纳滤膜的制备方法,其特征在于:所述步骤S1中所用的水相溶剂为甲醇与水的混合溶剂;所述水相溶剂中的甲醇与水的体积比为10:90。
8.根据权利要求4所述的高通量聚酰胺复合纳滤膜的制备方法,其特征在于:所述步骤S1中的水相单体溶液中赖氨酸的质量浓度为0.5~2.0%w/v。
9.根据权利要求4所述的高通量聚酰胺复合纳滤膜的制备方法,其特征在于:所述步骤S1中的水相单体溶液中UMOP-1-NH2的质量浓度为0.05~0.25%w/v。
10.根据权利要求4所述的高通量聚酰胺复合纳滤膜的制备方法,其特征在于:所述步骤S2中的均苯三甲酰氯油相溶液中均苯三甲酰氯的浓度为0.05~0.15%w/v。
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