CN1401417A - 具有优良防积垢特性的反渗透分离膜及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
为了从根本上防止分离膜在使用过程中产生的积垢现象,采取将具有光催化剂特性的纳米级TiO2粒子固定于分离膜上,而提供一种膜本身具有新的优良防积垢特性的反渗透分离膜。该分离膜包括以下步骤:在酸性条件的水溶液中水解钛化合物,生成纳米级TiO2粒子;使生成的纳米级TiO2粒子分散于pH1-6或pH9-13的水溶液中,形成稳定的TiO2分散液;用众所周知的方法将反渗透分离膜浸渍于上述的分散液,使TiO2粒子结合于反渗透分离膜上。
Description
技术领域
本发明涉及具有优良防积垢特性的反渗透分离膜,更详细地说,本发明涉及的是一种不但能分解各种有机物而且更引人注目的具有微生物杀菌作用的作为代表性光催化剂TiO2,以纳米大小粒子结合在分离膜的表面结构的纳米结构形状的反渗透分离膜及其制造方法。
背景技术
反渗透分离膜通常应用于海水淡化、废水处理、超纯净水生产、家庭净水处理等各个领域中。这种反渗透领域的研究其主要目的是,增加分离膜的透水量和提高除盐效率。其典型实例有,美国专利第4,872,984号的Tomashke和美国专利第4,983,291号的Chau等提出的一种新的聚酰胺反渗透复合膜,该膜达到增加透水量和提高除盐效率。
然而,当用反渗透分离膜处理水时,随着时间的推移会使诸如透水量和除盐效率等透水特性降低,即出现积垢现象。在水处理设备运行成本中最大的成本消耗就是这种由于积垢造成的损失以及防止积垢处理,基于这样一种现状,要求对其采取根本性的防止对策加以研究。
引起积垢现象的物质就其性质可将其分成,无机结晶质积垢、有机物积垢、粒子及胶质积垢、微生物积垢。众所周知,聚酰胺反渗透复合膜吸附水中存在的微生物于分离膜的表面,由于在其膜上形成很薄的生物膜而发生严重的微生物积垢现象。
为了减少积垢,广泛应用的方法是,对原有水进行前处理、改变分离膜表面的带电性质、改造组件的工程条件、定期清洗等等。特别有报告提出,当在反渗透复合膜上严重发生微生物积垢时,用氯之类的杀菌剂处理会显著降低微生物产生的积垢。但是正如人们所知道的,使用氯之类杀菌剂时,会产生致癌物质等的副产物,因此在用于生产饮用水的工程中还存在很多问题。而且最近防积垢(antifouling)分离膜的研究大都把焦点集中在如何改变膜表面的带电特性,迄今为止还未开发出具有划时代意义的能够显著降低积垢的分离膜。
另一方面,最近TiO2是最受关注的光催化剂,它在紫外线或太阳光下具有杀灭微生物并能分解有机物的特性,在专利和研究论文上发表很多这方面的研究实例,它们都是将这种抗菌特性应用于包装膜、保管箱、墙壁纸、薄膜、汽车内装饰材料、灯具、防护眼镜、空调、微波炉、地板材料、冰箱等等。
另外,在水处理中人们已经知道一种现有技术,它将TiO2以粉末状直接分散于水中,分解有机物并杀死微生物。这种使用TiO2的处理现有水的过程不会产生有毒的付产物,并具有分解水中有机物和微生物的特性,目前对水处理工程的可利用性研究仍在持续进行。但是,将这种TiO2粒子加入水中使之进行光分解这样一种水处理工程,必须对粒子进行再回收的辅助工程,而且又难以将该粒子再利用等一系列问题,至今还没有完全应用于水处理工程。
发明内容
本发明的目的就是为了解决所述的现存反渗透分离膜的问题,特别是为了从根本上防止分离膜在使用过程中产生的积垢现象,本发明提供一种具有光催化剂特性的纳米级TiO2颗粒以固定形式结合在分离膜上(incorporate),分离膜本身具有优良防积垢特性的新颖的反渗透分离膜。
为了达到上述目的,本发明提供具有优良防积垢特性的反渗透分离膜的制造方法,该过程包括,在酸性条件的水溶液中水解钛化合物,以生成纳米级TiO2粒子的步骤;使生成的TiO2粒子分散于pH1-6的水溶液或pH9-13的水溶液中,形成稳定的TiO2分散液的步骤;用众所周知的方法将所制的反渗透分离膜浸渍于上述分散液中,使TiO2粒子掺入分离膜中的步骤。
本发明进一步提供,由纳米级TiO2粒子掺入该分离膜中的反渗透分离膜。
实施发明的方式
下文详细说明本发明。
在本发明中,纳米级TiO2粒子是通过在酸性条件的水溶液中添加Ti[OCH(CH3)2]4、TiCl4、TiOSO4、TiOCl2之类的钛化合物,使之水解而获得。此时,使用约pH0.5-3强酸水溶液有利于形成纳米级粒子。将如此获得的钛酸水溶液更优选是通过直接调节到pH1-6或9-13范围也能够得到稳定的TiO2分散液,这时,有可能混入一些杂质,所以从所述水解钛化合物得到的钛酸溶液中分离TiO2并使之干燥,筛选出白色粉末TiO2粒子,然后将其加入到pH1-6酸溶液或9-13碱溶液使之分散,调制成稳定的TiO2分散液。运时,如果使用不足pH1的水溶液或超过pH13水溶液,则强酸或强碱会使分离膜损伤,如果使用6<pH<9的水溶液,则纳米级TiO2粒子迅速凝集产生沉淀等,进而破坏分散液的稳定性。
从钛酸溶液中分离TiO2并使之干燥的方法,在本发明没有特别的限制,任何一种分离干燥法都可使用。例如,可以使用将所述水溶液直接蒸发干燥的方法。
另一方面,使钛化合物水解并生成TiO2时,在水溶液中以0.1-1.0重量%添加多种金属氧化物使之反应,由此可以获得有所述金属离子掺杂的纳米级TiO2粒子,将这种粒子作为稳定的TiO2的分散液而使用时,可以增加TiO2光催化剂效果,此时,可利用的金属氧化物的实例有,LiOH、Mg(ClO4)2、AlCl3、VCl3、VOSO4·3H2O、VOCl3、Cr(NO3)3、MnF3、Fe(NO3)3·9H2O、CoF3、NiCl2、Zn(ClO4)2、Ga(NO3)3、Zr[OCH(CH3)2]4、NbCl5、MoCl3、RuCl3、Rh(NO3)3·2H2O、SnCl4、SbCl3、TaCl5、ReCl5、OsCl3、SbCl5。这种金属氧化物的使用量优选约为水溶液的约0.1-1.0重量%。
在本发明中,将反渗透分离膜浸渍于这种稳定的TiO2分散液,以制造结合有纳米级TiO2粒子的反渗透分离膜。此时浸渍时间因溶液的pH而异,如果TiO2粒子能充分固定到分离膜上,浸渍时间没有特殊的限制。这种在分离膜上固定TiO2粒子的机制,我们推测TiO2与分离膜表面上存在的作用基团通过配位键等而进行自组合(self-assembly)而被固定的。适用于本发明反渗透分离膜,包括最近主要使用的聚酰胺系列的反渗透复合膜,还可利用现在使用的所有类型的分离膜。
在本发明中,特别使用具有优良光催化剂效果的TiO2,制造具有优良防积垢特性的反渗透分离膜的技术而言,与TiO2类似具有光催化反应的、还CdS、WO3、SrTiO3、MoSe2、GaAs等的光催化剂无机氧化物,推测也可以制造具有优良防积垢特性的反渗透分离膜。
下面列举实施例具体说明本发明,但本发明并不仅限于这些实施例。
[实施例1]
将1ml的Ti[OCH(CH3)2]4完全溶于20ml的乙醇后,将其缓慢滴入20ml搅拌下的pH1.5的水溶液中,以进行水解反应而得到透明状态的TiO2水溶液。
用旋转蒸发(rotavapor)将得到的TiO2水溶液于35℃下蒸发,使之在真空烘箱60℃下干燥1小时,得到白色粉末TiO2粒子后,以一定比率(0.5g/L)使其溶解于水,将pH调到2.8进而得到一种稳定的TiO2分散液。
使2重量%的MPD(间-苯二胺)水溶液和溶于有机溶剂的0.1重量%的TMC(三甲磺酰氯)(trimesoyl chloride)溶液进行界面聚合,将得到的聚酰胺反渗透复合膜浸渍于所述稳定的TiO2分散液1小时,制得结合有TiO2的反渗透分离膜。
[实施例2]
使在实施例1中白色粉末TiO2粒子以一定比率(0.5g/L)溶于水中,除了pH调到10外其它均与实施例1一样,制得结合有TiO2的反渗透分离膜。
[实施例3]
使Ti[OCH(CH3)2]4水解而制造TiO2水溶液时,除了添加0.1g的LiOH外其它均与实施例1一样,制得结合有TiO2的反渗透分离膜。
根据透过型电子显微镜法(Transmission Electron Microscopy)和紫外-可见分光法(Ultraviolet-visible Spectroscopy)测定所述实施例1、2、3合成的TiO2粒子,测定结果表明,各合成的纳米级粒子均在10nm以下。
测定实施例1合成的TiO2结合于反渗透分离膜后和TiO2结合到反渗透复合膜前的流量以及除盐率,并将其测定结果示于表1。
【表1】
试料 | 流量(gfd) | 除盐率(%) |
TiO2粒子结合前 | 13.2 | 96.5 |
TiO2粒子结合后 | 14.4 | 96.6 |
为了评价本发明反渗透分离膜的抗菌性,在紫外线下,分别在实施例2制造的结合有TiO2粒子的分离膜和结合TiO2前分离膜的表面上培养一定浓度的大肠杆菌,经过一段时间后再进行回收,在已经作好的Agar平板上培养后,用菌落(colony)计数的方法测定其细菌的存活率进而分别将分离膜的抗菌性质进行评价,结果如表2所示。此时用365mm波长的紫外线灯光照射。培养温度设为37℃。
【表2】
时间(hr) | 0 | 0.5 | 1 | 2 | 3 | 4 |
结合有TiO2的分离膜上细菌的存活率(%) | 100 | 78.9 | 71.3 | 43.6 | 10.9 | 0.0 |
结合TiO2前的分离膜上细菌的存活率(%) | 100 | 83.7 | 78.2 | 51.4 | 40.3 | 33.7 |
又,为了评价有关本发明反渗透分离膜的积垢影响,配制含有一定浓度大肠杆菌的积垢溶液,然后将实施例3制造的结合有TiO2分离膜和未结合有TiO2的分离膜按照下表3所示的时间间隔浸渍于积垢溶液,人为地使之积垢后,测定每个分离膜的透水量,根据这个方法,评价积垢情况,结果示于表3。此时培养温度设为30℃。
【表3】
时间(天) | 0 | 0.5 | 1 | 2 | 3 |
结合有TiO2的分离膜的流量(gfd) | 76.2 | 73.1 | 70.4 | 68.7 | 66.1 |
结合TiO2前的分离膜的流量(gfd) | 77.8 | 72.3 | 63.5 | 60.9 | 58.1 |
正如上述实施例所证实的一样,由本发明制造的结合有TiO2反渗透分离膜与现有分离膜相比以同样水平保持流量及除盐率同时还具有优良的抗菌特性以及分解有机物的特性,通过除去水中微生物吸附于分离膜而防止引起积垢等方面是有用的。
Claims (7)
1.制造具有优良防积垢特性的反渗透分离膜的方法,它包括以下步骤:在酸性条件的水溶液中水解钛化合物,生成纳米级TiO2粒子的步骤;使生成的纳米级TiO2粒子分散于pH1-6酸性溶液或pH9-13的碱性溶液,形成稳定的TiO2分散液的步骤;用众所周知的方法将反渗透分离膜浸渍于上述分散液中,使TiO2粒子结合在反渗透分离膜上。
2.具有优良防积垢特性的反渗透分离膜,其特征在于,TiO2粒子通过高分子分离膜表面所存在的作用基团自组合而被固定。
3.根据权利要求1所述制造具有优良防积垢特性的反渗透分离膜的方法,其特征在于,钛化合物是选自TiCl4、Ti[OCH(CH3)2]4、TiOSO4、TiOCl2中的化合物。
4.根据权利要求1所述制造具有优良防积垢特性的反渗透分离膜的方法,其特征在于,在水解钛化合物而制造TiO2时,添加0.01-1.0重量%的金属氧化物的水溶液。
5.根据权利要求1所述制造具有优良防积垢特性的反渗透分离膜的方法,其特征在于,金属氧化物是选自LiOH、Mg(ClO4)2、AlCl3、VCl3、VOSO4·3H2O、VOCl3、Cr(NO3)3、MnF3、Fe(NO3)3·9H2O、CoF3、NiCl2、Zn(ClO4)2、Ga(NO3)3、Zr[OCH(CH3)2]4、NbCl5、MoCl3、RuCl3、Rh(NO3)3·2H2O、SnCl4、SbCl3、TaCl5、ReCl5、OsCl3、SbCl5中的。
6.根据权利要求1所述制造具有优良防积垢特性的反渗透分离膜的方法,其特征在于,所述在酸性条件的水溶液中水解钛合物时,其酸性条件为pH0.5-3的强酸条件。
7.制造具有优良防积垢特性的反渗透分离膜的方法,其包括:在酸性条件的水溶液中水解钛化合物,以生成纳米级TiO2粒子的步骤;从所述钛酸溶液中分离TiO2并干燥,筛选白色粉末TiO2粒子的步骤;将此白色粉末TiO2粒子加入pH1-6酸溶液或pH9-13的碱溶液,使之分散形成稳定TiO2分散液的步骤;用众所周知的方法将所制的反渗透分离膜浸渍于上述的分散液中,使TiO2粒子结合在分离膜上。
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