CN114405294A - 一种具有增强染料和盐分离性能的BC-Kevlar复合基质纳滤膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有增强染料和盐分离性能的BC‑Kevlar复合基质纳滤膜的制备方法，包括以下步骤：1)制备BC‑Kevlar纳米纤维膜：将Kevlar纤维和KOH溶于二甲基亚砜和水的混合溶液中，在室温下搅拌2周，得到红棕色粘稠状的BC‑Kevlar铸膜液，将BC‑Kevlar铸膜液静置脱泡，倾倒在玻璃板上涂刮成BC‑Kevlar纳米纤维膜；2)将步骤1)制备的BC‑Kevlar纳米纤维膜浸泡在室温的去离子水中水浴，用无纺布托住底部取出，再经过烘箱固化干燥处理，得到BC‑Kevlar复合纳滤膜。这种BC‑Kevlar复合基质纳滤膜的制备过程简单，条件温和，得到的BC‑Kevlar复合基质纳滤膜具有增强染料和盐分离的性能，可用于工业废水的处理，具有十分广阔的前景。

Description

一种具有增强染料和盐分离性能的BC-Kevlar复合基质纳滤 膜及其制备方法
技术领域
本发明属于分离膜技术领域，具体是一种具有增强染料和盐分离性能的BC-Kevlar复合基质纳滤膜及其制备方法。
背景技术
膜分离技术作为当代一门新型高效的分离技术，在水处理、能源、环境、航空航天、电子及生物医用等诸多领域展现出极其广阔的应用前景。近年来，在处理废水这一块，纳滤(NF)技术以其操作压力低、通量大、对多价阴离子盐截留率高、投资少等优点应用广泛，在国际上发展较快。其中，L-S相转化法是制备高分子分离膜的主要方法，常见的工程塑料聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PES)、聚醚醚酮(PEEK)等很容易加工成微滤膜或超滤膜，但是由于其在10-100nm的孔径，允许大分子(染料、悬浮颗粒和天然有机物)和溶解固体(无机盐)通过，在冶金工业、纺织工业和重金属资源等许多工业过程中的应用受到了限制。因此，选择使用有机聚合物制备的微孔膜具有良好的渗透性和热稳定性，由于刚性聚合物链形成的网络，对高分子量分子保持了良好的选择性，具有广阔的应用前景。
Bowen et al.用聚砜(PSU)和磺化聚醚醚酮(SPEEK)为原料，N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂，制备了PSU/SPEEK共混膜。结果表明，当SPEEK含量在0.5-5％时，共混膜具有较高的孔隙率、通量和盐截留率，能有显著减少粒子的吸附。当SPEEK含量为5％时，得到的共混膜性能最佳。
Hosseini et al.通过向聚醚砜(PES)基膜中嵌入Fe3O4/PVP纳米颗粒，制备了混合基质纳滤膜，相对于原始膜，其水通量由原来的3.14(L/m2*h)增加到9.96(L/m2*h)，原始膜的盐截留率为82％，而纳米复合膜的盐截留率在77％-90％之间。复合NPs加入聚合物基体后，膜的抗拉强度也有所提高。与原始膜相比，其性能实现了较大的飞跃。
Haddad et al.以醋酸纤维素为原料，溶解在丙酮/甲酰胺的混合溶剂中，利用相转化法，制备了醋酸纤维素纳滤膜。研究发现，当醋酸纤维素浓度为22％，热处理温度为80℃时，制备的纳滤膜在1.6MPa压力下对浓度为3500-4000ppm的NaCl溶液的渗透通量为7.18(L/m2*h)，截留率为86％。
本发明旨在提供一种具有增强染料和盐分离性能的BC-Kevlar复合基质纳滤膜及其制备方法。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提供了一种具有增强染料和盐分离性能的BC-Kevlar复合基质纳滤膜及其制备方法，制备过程简单，条件温和，得到的BC-Kevlar复合基质纳滤膜具有增强染料和盐分离的性能，可用于工业废水的处理，具有十分广阔的前景。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：一种具有增强染料和盐分离性能的BC-Kevlar复合基质纳滤膜的制备方法，包括以下步骤：1)制备BC-Kevlar纳米纤维膜：将Kevlar纤维和KOH溶于二甲基亚砜和水的混合溶液中，在室温下搅拌2周，得到红棕色粘稠状的BC-Kevlar铸膜液，将BC-Kevlar铸膜液静置脱泡，倾倒在玻璃板上涂刮成BC-Kevlar纳米纤维膜；2)将步骤1)制备的BC-Kevlar纳米纤维膜浸泡在室温的去离子水中水浴，用无纺布托住底部取出，再经过烘箱固化干燥处理，得到BC-Kevlar复合纳滤膜。这种BC-Kevlar复合基质纳滤膜的制备过程简单，条件温和，得到的BC-Kevlar复合基质纳滤膜具有增强染料和盐分离的性能，可用于工业废水的处理，具有十分广阔的前景。
上述技术方案中，优选的，还包括有向混合溶液中加入2.5-10wt％的生物炭纳米颗粒的步骤，之后再进行搅拌。
上述技术方案中，优选的，加入的生物炭纳米颗粒为5wt％。当生物炭纳米颗粒为5wt％时BC-Kevlar复合基质纳滤膜的性能最优。
上述技术方案中，优选的，步骤1)中，Kevlar纤维和KOH以2：1的质量比溶于二甲基亚砜和水的混合溶液中，混合溶液由二甲基亚砜和水以体积比40：1混合而成。
上述技术方案中，优选的，BC-Kevlar铸膜液由厚为50-200μm的刮刀在玻璃板上涂刮成BC-Kevlar纳米纤维膜。
上述技术方案中，优选的，刮刀厚为150μm。
上述技术方案中，优选的，步骤1)中，静置脱泡时间为3-5h。
上述技术方案中，优选的，步骤2)中，水浴时间为1h。
上述技术方案中，优选的，步骤2)中，干燥温度为50-70℃，干燥时间为10-20min。
利用上述一种具有增强染料和盐分离性能的BC-Kevlar复合基质纳滤膜的制备方法制得的一种具有增强染料和盐分离性能的BC-Kevlar复合基质纳滤膜。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：这种BC-Kevlar复合基质纳滤膜的制备过程简单，条件温和，得到的BC-Kevlar复合基质纳滤膜具有增强染料和盐分离的性能，可用于工业废水的处理，具有十分广阔的前景。
附图说明
图1为本发明具有增强染料和盐分离性能的BC-Kevlar复合基质纳滤膜的制备过程示意图。
图2为本发明中BC-Kevlar纳滤膜的分离性能实验过程示意图。
图3为本发明实施例1，2，3，4和5制备的BC-Kevlar膜的FTIR傅里叶变换红外吸收光谱图。
图4为本发明实施例3制备的BC-Kevlar膜的表面和横截面SEM扫描电镜图。
图5为本发明实施例1，2，3，4和5制备的BC-Kevlar膜的AFM原子力显微镜图。
图6为本发明实施例1，2，3，4和5制备的BC-Kevlar膜的接触角变化图。
图7为本发明实施例1，2，3，4和5制备的BC-Kevlar膜分离性能变化图。
图8为本发明实施例3与其他纳滤膜性能的对比变化图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：参见图1至图8，实施例1，将4gKevlar纤维和2gKOH溶于200ml的二甲基亚砜(DMSO)和水的混合溶液中(二甲基亚砜和水的体积比为40∶1)，在室温下搅拌2周，得到红棕色粘稠状的铸膜液，将铸膜液静置脱泡，倾倒在玻璃板上涂刮成BC-Kevlar纳米纤维膜，浸泡在去离子水中，水浴1h，用无纺布托起，经过60℃干燥固化15min后，得到复合基质纳滤膜BC-Kevlar-1，放入去离子水中浸泡，备用。
实施例2，向混合溶液中加入2.5wt％的生物炭纳米颗粒(BC)，之后再进行搅拌，其他步骤不变，得到复合基质纳滤膜BC-Kevlar-2。
实施例3，向混合溶液中加入5wt％的生物炭纳米颗粒，之后再进行搅拌，其他步骤不变，得到复合基质纳滤膜BC-Kevlar-3。
实施例4，向混合溶液中加入7.5wt％的生物炭纳米颗粒，之后再进行搅拌，其他步骤不变，得到复合基质纳滤膜BC-Kevlar-4。
实施例5，向混合溶液中加入10wt％的生物炭纳米颗粒，之后再进行搅拌，其他步骤不变，得到复合基质纳滤膜BC-Kevlar-5。
对各实施例制备的BC-Kevlar纳滤膜进行FTIR傅里叶变换红外吸收光谱分析，如图3所示，Kevlar主要官能团的明确位置是C＝O，N-H，C-N和苯基。在3429cm-1和1540cm-1处出现了N-H从Kevlar延伸出来的峰值。峰值出现在1729cm-1和1646cm-1处，是由Kevlar结构中的C＝O基团引起的。1272cm-1和1124cm-1的峰值分别为苯基N振动和C-N拉伸。BC在632cm-1和1458cm-1附近的红外光谱可能是BC界面处发生的-OH振动和C-H面内弯曲振动。纳米BC-Kevlar复合膜显示出相应的-OH吸收峰，这证实了BC已成功引入纳米BC-Kevlar结构中。
对实施例制备的BC-Kevlar纳滤膜进行AFM原子力显微镜分析，如图5所示，从均方根粗糙度Rq的变化可以看出，伴随着BC量的增加，其表面形貌也在不断发生改变。实施例1，2，3具有相似的Rq，说明适量的BC可以在Kevlar表面均匀的分散，不会使Kevlar膜表面发生过大的变化，而实施例4中Rq变化突然增大，这表明当添加的BC量到一定程度时，膜表面形貌会发生很大改变，影响其有效渗透面积。至于实施例5中Rq值略微下降，可能是因为过量的BC团聚在膜的其他位置，而探针扫描的位置相对平滑。
对实施例制备的BC-Kevlar纳滤膜进行CA接触角分析，如图6所示，随着添加BC量的增加，接触角逐渐降低，亲水性越强。
为了考察所有实施例制备的BC-Kevlar复合纳滤膜的性能优劣，进行了染料和盐分离性能的实验，实验装置和实验结果如图2和图7所示，所有染料浓度均为200ppm，盐浓度均为1000ppm，操作压力为6bar，实验膜面积为7.065cm2。从图7a可以发现伴随着BC量的增加，BC-Kevlar复合纳滤膜的纯水通量在逐渐增加，当BC量浓度超过5wt％之后，其通量呈几何倍数的上涨；其对3种染料刚果红，活性蓝19，甲基蓝的截留性能在BC浓度范围为0-5wt％内都保持在90％以上，BC量浓度超过5wt％之后，其截留性能大大降低，这表明实施例3所制备的BC-Kevlar-3膜性能最优，从图7b可以看出，其对NaCl的截留率达到了49.92％，对Na2SO4的截留率达到了85.37％，具有很好的单、多价盐分离性能。
为了对比本发明所制备的BC-Kevlar纳滤膜和其他纳滤膜性能优劣，通过查阅相关文献，如图8所示，从图中可以发现，本发明制备的BC-Kevlar复合纳滤膜在保持对染料和盐高分离性能的同时，也具有很高的通量，对于处理工业废水具有很好的前景。
以上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 (10)

1.一种具有增强染料和盐分离性能的BC-Kevlar复合基质纳滤膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)制备BC-Kevlar纳米纤维膜：将Kevlar纤维和KOH溶于二甲基亚砜和水的混合溶液中，在室温下搅拌2周，得到红棕色粘稠状的BC-Kevlar铸膜液，将BC-Kevlar铸膜液静置脱泡，倾倒在玻璃板上涂刮成BC-Kevlar纳米纤维膜；2)将步骤1)制备的BC-Kevlar纳米纤维膜浸泡在室温的去离子水中水浴，用无纺布托住底部取出，再经过烘箱固化干燥处理，得到BC-Kevlar复合纳滤膜。
2.如权利要求1所述的一种具有增强染料和盐分离性能的BC-Kevlar复合基质纳滤膜的制备方法，其特征在于，步骤1)中，还包括有向混合溶液中加入2.5-10wt％的生物炭纳米颗粒的步骤，之后再进行搅拌。
3.如权利要求2所述的一种具有增强染料和盐分离性能的BC-Kevlar复合基质纳滤膜的制备方法，其特征在于，加入的生物炭纳米颗粒为5wt％。
4.如权利要求1所述的一种具有增强染料和盐分离性能的BC-Kevlar复合基质纳滤膜的制备方法，其特征在于，步骤1)中，Kevlar纤维和KOH以2∶1的质量比溶于二甲基亚砜和水的混合溶液中，混合溶液由二甲基亚砜和水以体积比40∶1混合而成。
5.如权利要求1所述的一种具有增强染料和盐分离性能的BC-Kevlar复合基质纳滤膜的制备方法，其特征在于，步骤1)中，BC-Kevlar铸膜液由厚为50-200μm的刮刀在玻璃板上涂刮成BC-Kevlar纳米纤维膜。
6.如权利要求5所述的一种具有增强染料和盐分离性能的BC-Kevlar复合基质纳滤膜的制备方法，其特征在于，刮刀厚为150μm。
7.如权利要求1所述的一种具有增强染料和盐分离性能的BC-Kevlar复合基质纳滤膜的制备方法，其特征在于，步骤1)中，静置脱泡时间为3-5h。
8.如权利要求1所述的一种具有增强染料和盐分离性能的BC-Kevlar复合基质纳滤膜的制备方法，其特征在于，步骤2)中，水浴时间为1h。
9.如权利要求1所述的一种具有增强染料和盐分离性能的BC-Kevlar复合基质纳滤膜的制备方法，其特征在于，步骤2)中，干燥温度为50-70℃，干燥时间为10-20min。
10.如权利要求1-9任意一项所述的一种具有增强染料和盐分离性能的BC-Kevlar复合基质纳滤膜的制备方法制得的一种具有增强染料和盐分离性能的BC-Kevlar复合基质纳滤膜。
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