CN116371222B - 一种超薄复合聚酰胺纳滤膜及其制备方法和应用 - Google Patents

一种超薄复合聚酰胺纳滤膜及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超薄复合聚酰胺纳滤膜及其制备方法和应用,属于复合膜材料技术领域,本发明将多孔密胺颗粒分散液抽滤在微孔聚合物基膜上,烘干后将其置于聚四氟乙烯模具中,用垫圈和板框进行密封和固定,将多官能胺单体的水溶液倒入板框内,然后倒掉溶液,用辊轴一次顺向辊掉微孔聚合物基膜表面残余的水相溶液并垂直晾干,再将多官能酰氯单体的正己烷溶液倒入板框内,放置后倒掉溶液,取出膜片在热水浴中交联得到本产品。本发明在微孔聚合物基膜和聚酰胺功能层中间加入密胺颗粒层,提高了复合膜表面的粗糙度、降低聚酰胺功能层的厚度,提高水通量,同时还保留了对一二价盐离子的截留性能,聚酰胺功能层的调节可以使复合膜的抗污染性能提升。

Description

一种超薄复合聚酰胺纳滤膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于复合膜材料技术领域,涉及一种超薄复合聚酰胺纳滤膜及其制备方法和应用。
背景技术
在工业生产中,为了增强可持续性,需要不断开发能耗低、污染少、操作安全的技术。在液体和气体分离领域,膜技术能耗和操作温度低,具有明显优势。纳滤膜技术作为当今世界先进的分离方法,可以高效截留盐离子,在纯水生产等领域中发挥重要作用。复合法是目前比较有效的制备纳滤膜的方法,该方法是在多孔基膜上复合一层或多层的超薄功能层,超薄功能层通常由多元胺和多元酰氯进行界面聚合反应形成。目前常见的功能层材料主要是聚酰胺,其具有优异的分离选择性以及良好的化学稳定性。
目前,超薄复合聚酰胺纳滤膜具有良好的盐截留性能,如中国专利CN111437732A中,公开了一种水相体系添加烷基酸可以调控制备高选择性通量纳滤膜的方法,通过调节水相的pH来调控聚酰胺功能层的厚度,使得该膜在保持高通量的同时对硫酸根截留率约为99%,氯离子截留率为30-50%。近年有研究提出在基膜与功能层间引入中间层,包括纳米纤维、二维纳米片等,较小的孔径和较高的孔隙率能使水相单体均匀地存储在中间层中,减缓了单体释放速率,降低表皮层的厚度。对超薄复合膜的性能进行调控,如中国专利CN112999898A公开了一种含纳米纤维中间层的超薄复合聚酰胺纳滤膜,制备高长径比的羟基磷灰石(HAP)纳米线并沉积在基膜表面,然后再构建超薄致密聚酰胺层,制得的纳滤膜对含有二价离子的Na2SO4、MgSO4溶液的截留率均高于98%,通量分别达到177.4L·m-2·h-1和166.8L·m-2 h-1。在Wu的研究中(J. Membr. Sci. 576 (2019) 131-141),将多巴胺与共轭有机框架(COF)纳米片在基膜上共沉积,然后构建超薄致密聚酰胺层。COF纳米片作为一种多功能调节剂,通过物理化学相互作用来优化杂化夹层的多孔结构。通过控制单体扩散行为,具有高孔隙率和亲水性的杂化夹层生成了厚度仅为11 nm的致密聚酰胺层,其透水性提高了3倍。目前颗粒状的中间层研究较少,尤其选用三维纳米材料作为中间层改善聚酰胺层的性能鲜见报道。
因此,如何研发一种提高复合膜表面的粗糙度、降低聚酰胺功能层的厚度、提高水通量,提升复合膜的抗污染性能的超薄复合聚酰胺纳滤膜及其制备方法和应用。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种超薄复合聚酰胺纳滤膜及其制备方法和应用。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种超薄复合聚酰胺纳滤膜的制备方法,包括如下步骤:将多孔密胺颗粒分散液抽滤在微孔聚合物基膜上,烘干后将其置于聚四氟乙烯模具中,用垫圈和板框进行密封和固定,将多官能胺单体的水溶液倒入板框内,然后倒掉溶液,用辊轴一次顺向辊掉微孔聚合物基膜表面残余的水相溶液并垂直晾干,再将多官能酰氯单体的正己烷溶液倒入板框内,放置后倒掉溶液,然后取出膜片在热水浴中交联,得到上述超薄复合聚酰胺纳滤膜。
进一步,上述放置时间为60s。
进一步,上述多孔密胺颗粒分散液的制备方法包括如下步骤:将多孔密胺颗粒加入到去离子水中,每10ml去离子水加入2-30mg多孔密胺颗粒,置于超声波细胞粉碎机中超声,取上清液,然后向上清液中加入多巴胺盐酸盐溶液和tris缓冲液,使反应物pH=8.5,加热反应,即得到上述多孔密胺颗粒分散液。
更进一步,上述超声时间为12小时,超声功率为350W;上述多巴胺盐酸盐溶液的浓度为0.1-10wt%,上述多巴胺盐酸盐溶液的加入量为上清液质量的2.5-7.5%,优选为5wt%,上述加热温度为40℃,加热时间为1-12 h。
更进一步,上述多孔密胺颗粒的制备方法包括如下步骤:将质量比为2.3:1的三聚氰胺和多聚甲醛加入到二甲基亚砜中,在90℃的温度下溶解,然后在170℃的温度下加热6-240小时,产物冷却后离心分离、清洗干燥得到多孔密胺颗粒。
更进一步,上述将多孔密胺颗粒分散液抽滤在微孔聚合物基膜上的具体步骤为:将微孔聚合物基膜置于真空抽滤装置中,用去离子水冲洗,然后取多孔密胺颗粒分散液加入真空抽滤装置中进行抽滤,抽滤完成后将膜置于50-70℃烘箱干燥,优选为60℃烘箱干燥,然后再置于去离子水中备用;
所述多孔密胺颗粒分散液抽滤在微孔聚合物基膜上的量为0.25-10 mL/cm2
进一步,上述多官能胺单体的水溶液的浓度为0.001-50wt%,且上述多官能胺单体是具有2个以上的反应性氨基的多官能胺;
上述多官能酰氯单体的正己烷溶液的浓度为0.001-50wt%,且上述多官能酰氯单体是具有2个以上的反应性酰氯的多官能化合物分子。
更进一步,上述多官能胺单体包括芳香族多官能胺;上述多官能酰氯单体包括芳香族多官能酰氯化物。
更进一步,上述芳香族多官能胺包括哌嗪、4-哌嗪基-1,3-苯二胺、间苯二胺、对苯二胺、邻苯二胺、1,3,5-三氨基苯、1,2,4-三氨基苯、3,5-二氨基苯甲酸、2,4-二氨基甲苯、2,6-二氨基甲苯、N,N'-二甲基间苯二胺、2,4-二氨基苯甲醚、阿米酚或苯二甲胺中的任一种。
更进一步,上述芳香族多官能酰氯化物包括均苯三甲酰氯、戊三甲酰氯、对苯二甲酰氯、间苯二甲酰氯、联苯二甲酰氯、萘二甲酰氯、苯三磺酰氯、苯二磺酰氯或氯磺酰基苯二甲酰氯中的任一种。
进一步,上述交联温度为40-80℃,交联时间为5-20min,优选为10min。
进一步,上述多孔密胺颗粒的直径为50-400nm,优选为100-200nm。
进一步,上述微孔聚合物基膜为有机超滤膜,上述微孔聚合物基膜的材质为醋酸纤维素、聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚砜、聚丙烯腈、磺化聚砜、磺化聚醚砜、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚偏氟乙烯或纤维素中的一种或几种。
本发明还提供一种上述方法制备的超薄复合聚酰胺纳滤膜。
本发明还提供一种上述超薄复合聚酰胺纳滤膜在海水淡化、污水处理、生物制药或石油化工领域中的应用。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
多官能酰氯单体和多官能胺单体交联反应形成聚酰胺功能层,多孔密胺颗粒分散液中的多巴胺自交联成聚多巴胺黏附在微孔聚合物基膜表面,且多巴胺富含大量的氨基可以与聚酰胺层残余的酰氯发生化学反应来提高中间层和聚酰胺层的结合度,本发明在微孔聚合物基膜和聚酰胺功能层中间加入多孔密胺颗粒中间层,具有三维结构的多孔密胺具有高比表面积、高孔体积、超亲水、颗粒直径可调节、端氨基数量多等优点,多孔密胺颗粒的加入提高了复合膜表面的粗糙度、降低了聚酰胺功能层的厚度,多孔密胺颗粒的亲水性会提高水通量,多孔密胺的微孔通道会进一步提高水通量,同时还保留了对一二价盐离子的截留性能,聚酰胺功能层种类的调节可以使复合膜的抗污染性能提升。本发明的制备方法具有更高的水通量,更好的耐污染性能,利于推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1制备的超薄复合聚酰胺纳滤膜断面扫描电镜图。
图2为本发明实施例1、实施例2、实施例9、对比例1、对比例2制备的纳滤膜红外光谱图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步的详细说明,但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下实例。在不脱离本发明上述思想与方法的情况下,依照本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种变更或替换,均应包含于本发明范围之内。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
实施例1
超薄复合聚酰胺纳滤膜的制备方法,包括如下步骤:
(1)将0.896g三聚氰胺和0.384g多聚甲醛加入到40ml二甲基亚砜中,在90℃的温度下溶解,然后在170℃的温度下加热16小时,产物冷却后离心分离、清洗干燥得到多孔密胺颗粒;
(2)将5 mg多孔密胺颗粒加入到10ml去离子水中,置于超声波细胞粉碎机中超声12小时,超声功率为350W;取上清液,然后向上清液中加入浓度为0.5wt%的多巴胺盐酸盐溶液和tris缓冲液,多巴胺盐酸盐溶液的加入量为上清液质量的5%,tris缓冲液的加入量为上清液质量的5%,40℃加热反应2小时,即得到多孔密胺颗粒分散液;
(3)将直径为5cm、孔径为200nm的聚醚砜基膜置于真空抽滤装置中,用去离子水冲洗,然后取30mL多孔密胺颗粒分散液加入真空抽滤装置中进行抽滤,抽滤完成后将膜置于60℃烘箱干燥2小时,然后再置于去离子水中备用;
(4)将抽滤过多孔密胺颗粒的聚醚砜滤膜取出60℃烘干30分钟,然后将其置于聚四氟乙烯模具中,用垫圈和板框进行密封和固定,将浓度为10wt%的哌嗪水溶液倒入板框内,然后倒掉溶液,用橡胶辊轴一次顺向辊掉微孔聚合物基膜表面残余的水相溶液并垂直晾干12小时,再将浓度为10wt%苯三甲酰氯的正己烷溶液倒入板框内,放置60s后倒掉溶液,然后取出膜片在60℃热水浴中交联10min,得到含多孔密胺颗粒中间层的超薄复合聚酰胺纳滤膜。
多孔密胺颗粒直径约为140-150nm,经过渗透分离性能评价,发现其纯水通量达57.65 L m-2h-1bar-1,截留分子量为463 Da。
实施例2-4
与实施例1相比,实施例2-4通过改变步骤(1)中多孔密胺颗粒聚合时间即加热时间来调节多孔密胺颗粒尺寸,使聚酰胺功能层的厚度发生改变,由此制作了含多孔密胺颗粒中间层的超薄复合聚酰胺纳滤膜,其他步骤与实施例1相同。实施例2-4的实验条件和参数列于表1中。由表1可知,多孔密胺颗粒尺寸在140-150nm之间渗透选择性能较为优异。
表1
加热时间 颗粒尺寸 算术平均粗糙度 Zeta电位 水接触角 截留分子量 水渗透系数 硫酸钠截留率 硫酸镁截留率 氯化钠截留率 氯化镁截留率
(h) (nm) (nm) (mV) (°) (Da) (L m-2h- 1bar-1 (%) (%) (%) (%)
实施例1 16 140-150 43.7 -24 47 463 56 99 99 16 79
实施例2 8 70-80 38 -31 52 326 14 99 99 24 87
实验例3 48 210-250 94 -27 42 381 28 98 98 19 83
实验例4 120 340-350 127 -32 41 415 43 98 99 16 83
实施例5-7
与实施例1相比,实施例5-7通过改变步骤(2)中向去离子水中加入多孔密胺颗粒的量来调控密胺颗粒分散液浓度,从而调节基膜表面多孔密胺颗粒的量,使聚酰胺功能层的厚度发生改变。由此制作了含多孔密胺颗粒中间层的超薄复合聚酰胺纳滤膜,其他步骤与实施例1相同。实施例5-7的实验条件和参数列于表2中。由表2可知,10ml去离子水中加入5mg密胺颗粒时,渗透选择性能较为优异。
表2
10ml去离子水多孔密胺颗粒加入量 算术平均粗糙度 Zeta电位 水接触角 截留分子量 水渗透系数 硫酸钠截留率 硫酸镁截留率 氯化钠截留率 氯化镁截留率
(mg ) (nm) (%) (%) (Da) (L m-2h- 1bar-1 (%) (%) (%) (%)
实施例1 5 43.7 -27 42 463 56 99 99 16 79
实施例5 2 57 -33 47 327 29 99 99 26 88
实施例6 10 45.1 -24 40 492 58 98 98 14 77
实验例7 20 51 -22 37 533 62 97 97 12 69
实施例8-11
与实施例1相比,实施例8-11通过改变步骤(3)中多孔密胺颗粒分散液的体积来调节基膜表面密胺颗粒的量,使聚酰胺功能层的厚度发生改变。由此制作了含多孔密胺颗粒中间层的超薄复合聚酰胺纳滤膜,其他步骤与实施例1相同。实施例8-11的实验条件和参数列于表3中。由表3可知,密胺颗粒分散液体积在30-50ml之间渗透选择性能较为优异。
表3
密胺颗粒分散液体积 算术平均粗糙度 Zeta电位 水接触角 截留分子量 水渗透系数 硫酸钠截留率 硫酸镁截留率 氯化钠截留率 氯化镁截留率
(ml) (nm) (%) (%) (Da) (L m-2h- 1bar-1 (%) (%) (%) (%)
实施例8 15 44 -31 44 411 52 99 99 27 87
实施例9 50 42 -26 42 510 57 99 99 16 77
实施例10 100 55 -22 37 539 63 97 97 11 68
实验例11 200 64 -21 33 590 87 95 96 10 68
对比例1
本对比例的制备方法为:将孔径为200nm的聚醚砜基膜置于聚四氟乙烯模具中,用垫圈和板框进行密封和固定,将浓度为10wt%的哌嗪水溶液倒入板框内,然后倒掉溶液,用橡胶辊轴一次顺向辊掉微孔聚合物基膜表面残余的水相溶液并垂直晾干12小时,再将浓度为10wt%苯三甲酰氯的正己烷溶液倒入板框内,放置60s后倒掉溶液,然后取出膜片在60℃热水浴中交联10min,得到超薄复合聚酰胺纳滤膜。即本对比例制备的纳滤膜不含多孔密胺颗粒中间层。
该超薄复合聚酰胺纳滤膜的算术平均粗糙度为67±9nm,Zeta电位为-41mV,水接触角为55°,水渗透系数为19 L m-2 h-1 bar-1,对硫酸钠、硫酸镁、氯化钠、氯化镁的截留率分别为99%、99%、44%、91%。由对比例可知,未添加密胺颗粒的超薄复合聚酰胺纳滤膜的水渗透系数较低,盐截留偏高。
对比例2
本对比例提供一种含多孔密胺颗粒中间层的超薄复合聚酰胺纳滤膜的制备方法,其制备方法除了步骤(1)中加热时间为300小时外,其他均与实施例1相同。
多孔密胺颗粒尺寸为600-750nm,该超薄复合聚酰胺纳滤膜的算术平均粗糙度为306±44nm,Zeta电位为-33mV,水接触角为45°,水渗透系数为89 L m-2 h-1 bar-1,对硫酸钠、硫酸镁、氯化钠、氯化镁的截留率分别为92%、93%、12%、60%。由对比例可知,当多孔密胺颗粒尺寸过大时,膜表面变得粗糙,水渗透系数大幅度提升,盐截留急剧下降。
图2为本发明实施例1、实施例2、实施例9、对比例1、对比例2制备的纳滤膜红外光谱图。在1560 cm-1的峰是由-NH2引起的,它的强度可以反映-NH2的含量,当超薄复合膜中未添加密胺颗粒或密胺颗粒添加量少的时候峰强度较弱。
对所公开的实施例的说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种超薄复合聚酰胺纳滤膜的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:将多孔密胺颗粒分散液抽滤在微孔聚合物基膜上,烘干后将其置于聚四氟乙烯模具中,用垫圈和板框进行密封和固定,将多官能胺单体的水溶液倒入板框内,然后倒掉溶液,用辊轴一次顺向辊掉微孔聚合物基膜表面残余的水相溶液并垂直晾干,再将多官能酰氯单体的正己烷溶液倒入板框内,放置后倒掉溶液,然后取出膜片在热水浴中交联,得到所述超薄复合聚酰胺纳滤膜;
所述多孔密胺颗粒的直径为140-150nm;
所述多孔密胺颗粒分散液的制备方法包括如下步骤:将多孔密胺颗粒加入到去离子水中,每10mL去离子水加入5-20mg多孔密胺颗粒,置于超声波细胞粉碎机中超声,取上清液,然后向上清液中加入多巴胺盐酸盐溶液和tris缓冲液,使反应物pH=8.5,加热反应,即得到所述多孔密胺颗粒分散液;
所述多孔密胺颗粒分散液抽滤在微孔聚合物基膜上的量为0.25-10 mL/cm2
所述多孔密胺颗粒的制备方法包括如下步骤:将质量比为2.3:1的三聚氰胺和多聚甲醛加入到二甲基亚砜中,在90℃的温度下溶解,然后在170℃的温度下加热6-240小时,产物冷却后离心分离、清洗干燥得到多孔密胺颗粒;
所述将多孔密胺颗粒分散液抽滤在微孔聚合物基膜上的具体步骤为:将微孔聚合物基膜置于真空抽滤装置中,用去离子水冲洗,然后取多孔密胺颗粒分散液加入真空抽滤装置中进行抽滤,抽滤完成后将膜置于50-70℃烘箱干燥,然后再置于去离子水中备用。
2.根据权利要求1所述一种超薄复合聚酰胺纳滤膜的制备方法,其特征在于,所述多官能胺单体的水溶液的浓度为0.001-50wt%,且所述多官能胺单体是具有2个以上的反应性氨基的多官能胺;
所述多官能酰氯单体的正己烷溶液的浓度为0.001-50wt%,且所述多官能酰氯单体是具有2个以上的反应性酰氯的多官能化合物分子。
3.根据权利要求1所述一种超薄复合聚酰胺纳滤膜的制备方法,其特征在于,所述交联温度为40-80℃,交联时间为5-20min。
4.根据权利要求1所述一种超薄复合聚酰胺纳滤膜的制备方法,其特征在于,所述微孔聚合物基膜为有机超滤膜,所述微孔聚合物基膜的材质为聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚砜、聚丙烯腈、磺化聚砜、磺化聚醚砜、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺或纤维素中的一种或几种。
5.一种权利要求1-4任一项所述方法制备的超薄复合聚酰胺纳滤膜。
6.一种权利要求5所述超薄复合聚酰胺纳滤膜在海水淡化、污水处理、生物制药或石油化工领域中的应用。
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