CN115105969A - 一种抗菌型聚酰胺复合纳滤膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抗菌型聚酰胺复合纳滤膜,其通过在含有酰氯基团的聚酰胺上引入抗菌成分,提高了滤膜的抗菌性能,缓解了膜的生物污染。本发明还涉及所述抗菌型聚酰胺复合纳滤膜的制备方法。该方法首先制备过滤基膜,将聚酰胺膜设置在所述过滤基膜上,并遴选抗菌成分(庆大霉素或硫酸庆大霉素),通过界面聚合技术,将庆大霉素或硫酸庆大霉素引入聚酰胺复合纳滤膜表面,制得抗菌型聚酰胺复合纳滤膜。

Description

一种抗菌型聚酰胺复合纳滤膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及膜分离技术领域,具体涉及一种抗菌型聚酰胺复合纳滤膜及其制备方法。
背景技术
膜分离技术是指根据膜的不同特性,在推动力的作用下,利用各组分在膜中传质的选择性差异,实现对多组分的流体物质选择性分离的技术。膜分离技术具有高效、操作简便、环保、低能耗等优点,已被广泛应用于水处理、环保工业、食品工业、资源回收及生物医药等领域。在过去的几十年中膜分离技术的应用越来越广泛,并成为21世纪最有前途的技术之一。
一直以来,细菌感染被认为是人类面临的最具挑战性的自然威胁之一,每年都会在全球导致约16%的死亡率,其恐怖性由此可见一斑。水源是细菌、病菌传播感染的主要途径,水作为农业生产、食品加工、能源化工、工业品输出等的重要基础,对国民经济的发展起着至关重要的作用。因此,水净化对保障人民健康尤为重要。
20世纪中期发展起来的膜分离技术是一种非常节能环保的新型分离技术,在饮用水的深层处理过程中扮演非常重要的角色。而利用膜分离技术对水进行处理时,细菌在膜材料表面吸附并形成生物膜覆盖是造成膜污染的主要原因。因此,提高分离膜表面的抗菌性能、缓解膜的生物污染成为分离膜应用过程中亟待解决的关键问题。
因此,需要开发有一种抗菌性能良好的复合纳滤膜。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点,提供一种抗菌型聚酰胺复合纳滤膜,其通过在含有酰氯基团的聚酰胺上引入抗菌成分,提高了滤膜的抗菌性能,缓解了膜的生物污染。
本发明的另一目的在于提供一种抗菌型聚酰胺复合纳滤膜的制备方法。
为了实现以上目的,本发明提供如下技术方案。
本发明提供一种聚酰胺复合纳滤膜,包括:
过滤基膜;
以及聚酰胺膜,设置在所述过滤基膜上;
其中,所述聚酰胺膜由含有酰氯基团的聚酰胺和含有多个氨基的抗菌成分反应制得。
优选地,所述过滤基膜为聚砜膜或聚醚砜膜。更优选地,所述过滤基膜为多孔的聚砜膜或聚醚砜膜。优选地,所述聚砜膜为聚醚砜膜。所述聚醚砜膜是聚砜膜的一种,具有优良的耐热性能、物理机械性以及良好的耐化学品性。
优选地,所述含有酰氯基团的聚酰胺由水相单体和油相单体反应制得。优选地,所述水相单体可为哌嗪、间苯二胺或对苯二胺等。优选地,所述油相单体可为均苯三甲酰氯、间苯二甲酰氯或5-异氰酸酯-异肽酰氯等。
优选地,所述含有酰氯基团的聚酰胺由哌嗪和均苯三甲酰氯反应制得。哌嗪和均苯三甲酰氯反应速度快,时间短;反应有自抑性,能形成比较薄的聚酰胺层,保证较高的纯水通量;酰氯水解成羧酸使聚酰胺层表面带负电荷,提高截留率。
本发明使用的多孔基膜有利于使哌嗪和均苯三甲酰氯滞留在孔内,增加哌嗪和均苯三甲酰氯的反应量,从而得到更加均匀的基膜。
本发明的多孔基膜为不对称膜。一方面孔主要起到支撑聚酰胺层的作用,另一方面其表面近似“无孔”的结构既可以均匀分散滞留水相单体溶液(如哌嗪溶液),同时可以控制聚合反应速度,使生成的聚酰胺层更均匀的覆盖在多孔基膜表面。
优选地,所述的抗菌成分还含有多个羟基,优选地,含有3个羟基。此外,所述的抗菌成分还可含有4个醚键。羟基和醚键都具亲水性。
所述抗菌成分具有多氨基和多羟基结构,既提供了与均苯三甲酰氯反应的位点,同时羟基具有亲水功能,极大地提高了复合纳滤膜的亲水性,氨基具有杀菌功能,减少蛋白质的黏附,制得的复合纳滤膜水通量和抗污染性能提高。
优选地,所述的抗菌成分为庆大霉素或硫酸庆大霉素。庆大霉素或硫酸庆大霉素除了氨基可以和均苯三甲酰氯发生酰胺反应,其部分羟基也可和均苯三甲酰氯发生酯化反应,从而形成立体交联的网络体系,提高复合纳滤膜稳定性;同时也增加了复合纳滤膜表面的粗糙度与表面润湿性。庆大霉素或硫酸庆大霉素与均苯三甲酰氯发生反应形成共价键,即避免了涂覆、共混等工艺带来的抗菌剂在溶液中的释放对环境造成的影响,也提高了复合纳滤膜表面的稳定性和抗菌持久性。
在本发明的聚酰胺复合纳滤膜中,所述聚酰胺膜吸附在所述过滤基膜上。优选地,所述聚酰胺膜物理吸附在所述过滤基膜上。
本发明还提供上述聚酰胺复合纳滤膜的制备方法,包括:
提供过滤基膜;
在所述过滤基膜上形成含有酰氯基团的聚酰胺,得到复合膜;以及
使含有多个氨基的抗菌成分与所述聚酰胺发生酰化反应,从而得到聚酰胺复合纳滤膜。
优选地,所述的聚酰胺复合纳滤膜的制备方法包括:
优选地,聚砜或聚醚砜过滤基膜的制备方法包括:
将聚砜和聚醚砜中的一种与溶剂及致孔剂混合,静置得到铸膜液;对所述铸膜液刮膜后,将制得的膜置于水中,得到聚砜或聚醚砜过滤基膜。
优选地,所述过滤基膜的制备步骤中,溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜和N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。
优选地,所述过滤基膜的制备步骤中,致孔剂为聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮和氯化锂中的一种或多种。
优选地,静置时间为12-24h,优选为18-24h。
优选地,置于水中时间为6-24h,优选为12-18h。
优选地,控制过滤基膜厚度为100μm、200μm、300μm或400μm,优选为100μm或200μm。更优选地,所述过滤基膜厚度可为200μm。
优选地,制备所述复合膜的方法包括:将所述过滤基膜浸泡在哌嗪溶液中,取出后,再浸泡在均苯三甲酰氯溶液中。
所述哌嗪溶液包括哌嗪和溶剂。所述溶剂可为水。
在本发明中,所用溶剂没有特别限制,只要能够溶解溶质的任何溶剂均可用于本发明。
所述均苯三甲酰氯溶液包括均苯三甲酰氯和溶剂。所述溶剂可为正己烷。
优选地,在哌嗪溶液中浸泡时间为5-15min,优选为5-10min。
优选地,在均苯三甲酰氯溶液中浸泡时间为1-10min,优选为3-5min。
在一些实施例中,在均苯三甲酰氯溶液中浸泡完成后,取出,并用清洗剂清洗。使用清洗剂清洗,可以除去未反应的均苯三甲酰氯,以避免均苯三甲酰氯对后续酰化反应(抗菌成分与所述聚酰胺的反应)的不利影响。优选地,所述清洗剂为正己烷。优选地,用清洗剂清洗次数为1-5次,优选为1-3次。
优选地,所述酰化反应包括:将所述复合膜浸泡在含有所述抗菌成分的溶液中,取出后,进行烘干。使含有多个氨基的抗菌成分与所述含有酰氯基团的聚酰胺发生酰化反应,烘干可以使部分羟基和均苯三甲酰氯发生的酯化反应更充分,制得聚酰胺复合纳滤膜。
优选地,含有所述抗菌成分的溶液包括抗菌成分和溶剂。优选地,所述溶剂可为水。
优选地,所述哌嗪溶液、所述均苯三甲酰氯溶液和所述含有抗菌成分的溶液的质量浓度比可为(0.05%-0.5%):(0.05%-15%):(0.5%-1%),例如为(0.2%-0.3%):(0.15%-0.2%):(0.87%-13%)。
优选地,在所述含有抗菌成分的溶液中的浸泡时间为5-30min,优选为10-15min。优选地,烘干温度为50-80℃,优选为50-65℃,烘干时间为10-30min,优选为10-20min。通过烘干可以增强聚酰胺交联结构,形成稳定的聚酰胺层。
优选地,在烘干后,将所得聚酰胺复合纳滤膜用水处理。优选地,所述水处理包括:在水中浸泡。优选地,浸泡时间为5-15h,优选为10-12h。通过在水中浸泡可以除去溶剂,让均苯三甲酰氯中的酰氯基团转化为羧基,减少对环境的污染。
相比现有技术,本发明的有益效果:
1.本发明提供了一种抗菌型聚酰胺复合纳滤膜,其通过在含有酰氯基团的聚酰胺上引入抗菌成分,提高了滤膜的抗菌性能,缓解了膜的生物污染。
本发明的抗菌成分具有多氨基和多羟基结构,既提供了与均苯三甲酰氯反应的位点,同时羟基具有亲水功能,极大地提高了复合纳滤膜的亲水性,氨基具有杀菌功能,减少蛋白质的黏附,制得的复合纳滤膜水通量和抗污染性能提高。
2.本发明还提供一种抗菌型聚酰胺复合纳滤膜的制备方法。该方法首先制备过滤基膜,将聚酰胺膜设置在所述过滤基膜上,并遴选抗菌成分(庆大霉素或硫酸庆大霉素),通过界面聚合技术,将庆大霉素或硫酸庆大霉素引入聚酰胺复合纳滤膜表面,制得抗菌型聚酰胺复合纳滤膜。
该方法所使用的原料易得,抗菌成分用量少,成本低,操作步骤少,仪器设备要求低,易于实现大规模工业化应用。
附图说明
图1为本发明实施例1-5制备的抗菌型聚酰胺复合纳滤膜和对照实施例1制备的聚醚砜过滤基膜的纯水通量以及Na2SO4截留率。
图2(a)、图2(b)为本发明对照实施例2平面、截面电镜扫描图,图2(c)、图2(d)为对照实施例1平面、截面电镜扫描图,图2(e)、图2(f)为实施例3平面、截面电镜扫描图。
图3为本发明对照实施例1、对照实施例2和实施例3红外光谱图。
图4为本发明对照实施例1和实施例3的zeta电位-pH图。
图5为本发明对照实施例1(左图)和实施例2(右图)的抗菌效果对比图。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解,下面结合具体实施例对本发明所述的技术方案做进一步说明,但本发明不仅限于此。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。除非另有说明,实施例中使用的原料和试剂均为市售商品。本文未记载的试剂、仪器或操作步骤均是本领域普通技术人员可常规确定的内容。
实施例1
(1)制备聚醚砜过滤基膜
向反应器中加入70gN,N-二甲基乙酰胺和16g聚醚砜,并加入5g聚乙烯吡咯烷酮,室温搅拌6h,静置脱泡12h得到铸膜液;随后用刮膜器在洁净干燥的平板玻璃上刮膜,控制膜厚度为200μm,将所制得的膜置于去离子水中12h,得到聚醚砜过滤基膜,并置于冰箱中冷藏保存备用;
(2)界面聚合法制备抗菌聚酰胺复合纳滤膜
取10cm×10cm无缺陷的上述步骤(1)制备出的聚醚砜过滤基膜,浸没于盛有质量浓度为0.2%的哌嗪水溶液的容器中5min;将浸泡完成的膜取出,加入质量浓度为0.15%的均苯三甲酰氯(溶剂为正己烷)溶液浸泡3min;然后取出,用正己烷清洗3次;随后取出,加入到质量浓度为0.87%的硫酸庆大霉素水溶液中浸泡15min,随后取出放入烘箱中,在60℃下干燥10min,最后取出置于去离子水中浸泡10h除去溶剂,得抗菌聚酰胺复合纳滤膜,并进行相关测试。
实施例2
(1)制备聚醚砜过滤基膜
向反应器中加入80gN,N-二甲基乙酰胺和20g聚醚砜,并加入7g聚乙烯吡咯烷酮,室温搅拌10h,静置脱泡24h得到铸膜液;随后用刮膜器在洁净干燥的平板玻璃上刮膜,控制膜厚度为200μm,将所制得的膜置于去离子水中12h,得到聚醚砜过滤基膜,并置于冰箱中冷藏保存备用;
(2)界面聚合法制备抗菌聚酰胺复合纳滤膜
取10cm×10cm无缺陷的上述步骤(1)制备出的聚醚砜过滤基膜,浸没于盛有质量浓度为0.2%的哌嗪水溶液的容器中8min;将浸泡完成的膜取出,加入到质量浓度为0.15%的均苯三甲酰氯(溶剂为正己烷)溶液中浸泡5min;然后取出,用正己烷清洗3次;随后取出,加入到质量浓度为1.74%的硫酸庆大霉素水溶液中浸泡20min,随后取出放入烘箱中,在55℃下干燥15min,最后取出置于去离子水中浸泡10h除去溶剂,得抗菌聚酰胺复合纳滤膜,并进行相关测试。
由实施例2制得的抗菌聚酰胺复合纳滤膜的抗菌效果图如图5所示。
实施例3
(1)制备聚醚砜过滤基膜
向反应器中加入60gN,N-二甲基乙酰胺和20g聚醚砜,并加入9g聚乙烯吡咯烷酮,室温搅拌12h,静置脱泡18h得到铸膜液;随后用刮膜器在洁净干燥的平板玻璃上刮膜,控制膜厚度为200μm,将所制得的膜置于去离子水中14h,得到聚醚砜过滤基膜,并置于冰箱中冷藏保存备用;
(2)界面聚合法制备抗菌聚酰胺复合纳滤膜
取10cm×10cm无缺陷的上述步骤(1)制备出的聚醚砜过滤基膜,浸没于盛有质量浓度为0.2%的哌嗪水溶液的容器中10min;将浸泡完成的膜取出,加入到质量浓度为0.15%的均苯三甲酰氯(溶剂为正己烷)溶液中浸泡3min;然后取出,用正己烷清洗3次;随后取出,加入到质量浓度为4.35%的硫酸庆大霉素水溶液中浸泡15min,随后取出放入烘箱中,在65℃下干燥15min,最后取出置于去离子水中浸泡10h除去溶剂,得抗菌聚酰胺复合纳滤膜,并进行相关测试。
由实施例3制得的抗菌聚酰胺复合纳滤膜的平面、截面电镜扫描图如图2(e)、图2(f)所示。
由实施例3制备的抗菌聚酰胺复合纳滤膜的红外光谱图如图3所示。
由实施例3制备的抗菌聚酰胺复合纳滤膜的zeta电位-pH图如图4所示。
实施例4
(1)制备聚醚砜过滤基膜
向反应器中加入80gN,N-二甲基甲酰胺和17g聚醚砜,并加入8g聚乙二醇,室温搅拌9h,静置脱泡24h得到铸膜液;随后用刮膜器在洁净干燥的平板玻璃上刮膜,控制膜厚度为200μm,将所制得的膜置于去离子水中18h,得到聚醚砜过滤基膜,并置于冰箱中冷藏保存备用;
(2)界面聚合法制备抗菌聚酰胺复合纳滤膜
取10cm×10cm无缺陷的上述步骤(1)制备出的聚醚砜过滤基膜,浸没于盛有质量浓度为0.2%的哌嗪水溶液的容器中10min;将浸泡完成的膜取出,加入到质量浓度为0.15%的均苯三甲酰氯(溶剂为正己烷)溶液中浸泡5min;然后取出,用正己烷清洗2次;随后取出,加入到质量浓度为8.7%的硫酸庆大霉素水溶液中浸泡15min,随后取出放入烘箱中,在60℃下干燥20min,最后取出置于去离子水中浸泡12h除去溶剂,得抗菌聚酰胺复合纳滤膜,并进行相关测试。
实施例5
(1)制备聚醚砜过滤基膜
向反应器中加入75gN,N-二甲基甲酰胺和20g聚醚砜,并加入5g聚乙二醇,室温搅拌12h,静置脱泡24h得到铸膜液;随后用刮膜器在洁净干燥的平板玻璃上刮膜,控制膜厚度为200μm,将所制得的膜置于去离子水中18h,得到聚醚砜过滤基膜,并置于冰箱中冷藏保存备用;
(2)界面聚合法制备抗菌聚酰胺复合纳滤膜
取10cm×10cm无缺陷的上述步骤(1)制备出的聚醚砜过滤基膜,浸没于盛有质量浓度为0.2%的哌嗪水溶液的容器中10min;将浸泡完成的膜取出,加入到质量浓度为0.15%的均苯三甲酰氯(溶剂为正己烷)溶液中浸泡5min;然后取出,用正己烷清洗3次;随后,加入到质量浓度为13.0%的硫酸庆大霉素水溶液中浸泡15min;随后取出并放入烘箱中,在65℃下干燥20min,最后取出置于去离子水中浸泡12h除去溶剂,得抗菌聚酰胺复合纳滤膜,并进行相关测试。
对照实施例1
向反应器中加入60g N,N-二甲基乙酰胺和20g聚醚砜,并加入9g聚乙烯吡咯烷酮,室温搅拌24h,静置脱泡18h得到铸膜液;随后用刮膜器在洁净干燥的平板玻璃上刮膜,控制膜厚度为200μm,将所制得的膜置于去离子水中12h,得到滤膜,并置于冰箱中冷藏保存备用;
取10cm×10cm无缺陷的上述步骤制备的滤膜,浸没于盛有质量浓度为0.2%的哌嗪水溶液的容器中10min;将浸泡完成的膜取出,加入到质量浓度为0.15%的均苯三甲酰氯(溶剂为正己烷)溶液中浸泡5min;然后取出,用正己烷清洗3次;随后放入烘箱中,在55℃下干燥15min,最后取出置于去离子水中浸泡8h除去溶剂,得复合膜,并进行相关测试。
由对照实施例1制备的复合膜的平面、截面电镜扫描图如图2(c)、图2(d)所示。
由对照实施例1制备的复合膜的红外光谱图如图3所示。
由对照实施例1制备的复合膜的zeta电位-pH图如图4所示。
由对照实施例1制备的复合膜的抗菌效果图如图5所示。
对照实施例2
向反应器中加入80gN,N-二甲基乙酰胺和15g聚醚砜,并加入7g聚乙烯吡咯烷酮,室温低速搅拌24h后,静置脱泡12h得到聚醚砜铸膜液,之后用刮膜器在洁净干燥的平板玻璃上刮膜,控制膜厚度为200μm,将所制得的膜置于去离子水中6-24h去除溶剂,得到聚醚砜过滤基膜。
由对照实施例2制备的聚醚砜过滤基膜的平面、截面电镜扫描图如图2(a)、图2(b)所示。
由对照实施例2制备的聚醚砜过滤基膜的红外光谱图如图3所示。
性能测试
将实施例1~5制备的抗菌型聚酰胺复合纳滤膜、对照实施例1制备的复合膜以及对照实施例2制备的聚醚砜过滤基膜进行测试,测试包括:水通量测定、截留率测定、扫描电镜分析、红外光谱分析、zeta电位-pH和抗菌性能测定。
其中,滤膜的纯水通量测定方法:过滤实验均采用错层过滤装置,膜的有效面积是22.09×10-4m2,过滤实验均在室温下进行,在5bar下用纯水将膜预压20min以达到稳定的通量,之后透过纯水计算纳滤膜的渗透通量J,其计算式为:
Figure BDA0003646309410000131
式中,V为渗透体积;A为膜的有效面积;t为过滤时间;Δp为渗透压力。
聚酰胺复合纳滤膜的截留率测定方法:以PES膜对硫酸钠的截留率来表征膜的截留效果。在室温和5bar的压力下,膜的截留率R(%)按下式计算:
Figure BDA0003646309410000141
式中σp和σf分别代表透过液、原液的电导率。
通过图1可以看到经改性后的抗菌型聚酰胺复合纳滤膜实施例1-5在保持较高截留率的同时,膜纯水通量都有比较大的提升,尤其是实施例3,水通量提高到对照实施例1的2.58倍。
通过图2可以看出,对照实施例1的复合膜表面平整光滑,孔分布均匀;对照实施例2为聚醚砜过滤基膜,可以明显看到聚醚砜过滤基膜上孔道被聚酰胺层覆盖,表面变得粗糙;实施例3为接入硫酸庆大霉素的抗菌型聚酰胺复合纳滤膜,可以看到皮层比对照实施例2增厚,表面粗糙度更大。这为提高膜水通量、抗污染性能创造了条件。
图3中3200cm-1~3600cm-1中宽峰为-OH和N-H伸缩振动,1240cm-1附近为C-O-C伸缩振动,1420cm-1~1440cm-1是酰胺中C-N伸缩振动带,1630cm-1是仲酰胺的酰胺Ⅰ带。
通过图4可以看出,实施例3相较于对照实施例1,由于膜表面改性接入含有碱性氨基基团的庆大霉素分子,随着pH值的上升,碱性基团失去质子,使膜表面正电荷流失。相应地,膜表面外围反电荷层的负电荷也会相应流失,于是zeta电位的绝对值下降,也造成了实施例3的截盐率略低于对照实施例1。
通过图5可以看出,通过接触式杀菌方法测定,实施例2抗菌效果较对照实施例1提升100%。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种聚酰胺复合纳滤膜,其特征在于,包括:
过滤基膜;
以及聚酰胺膜,设置在所述过滤基膜上;
其中,所述聚酰胺膜由含有酰氯基团的聚酰胺和含有多个氨基的抗菌成分反应制得。
2.根据权利要求1所述的聚酰胺复合纳滤膜,其特征在于,所述抗菌成分还含有多个羟基,优选地,所述抗菌成分为庆大霉素或硫酸庆大霉素。
3.根据权利要求1或2所述聚酰胺复合纳滤膜,其特征在于,所述含有酰氯基团的聚酰胺由水相单体和油相单体反应制得;所述水相单体为哌嗪、间苯二胺或对苯二胺;所述油相单体为均苯三甲酰氯、间苯二甲酰氯或5-异氰酸酯-异肽酰氯。
4.根据权利要求1或2所述的聚酰胺复合纳滤膜,其特征在于,所述过滤基膜为多孔的聚砜膜。
5.根据权利要求1或2所述的聚酰胺复合纳滤膜,其特征在于,所述聚酰胺膜吸附在所述过滤基膜上。
6.权利要求1-5中任一项所述的聚酰胺复合纳滤膜的制备方法,其特征在于,包括:
提供过滤基膜;
在所述过滤基膜上形成含有酰氯基团的聚酰胺,得到复合膜;以及
使含有多个氨基的抗菌成分与所述聚酰胺发生酰化反应,从而得到聚酰胺复合纳滤膜。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述酰化反应包括:将所述复合膜浸泡在含有所述抗菌成分的溶液中,取出后,进行烘干。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,浸泡时间为5-30min,烘干温度为50-80℃,烘干时间为10-30min。
9.根据权利要求6或7所述的制备方法,其特征在于,在烘干后还包括:将所得聚酰胺复合纳滤膜用水处理。
10.根据权利要求6或7所述的制备方法,其特征在于,所述复合膜的制备包括:将所述过滤基膜浸泡在哌嗪溶液中,取出后,再浸泡在均苯三甲酰氯溶液中。
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