TWM605604U - 納濾複合膜 - Google Patents
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Abstract
本創作提供一種納濾複合膜，其包含：一支撐層，該支撐層之材料包含聚對苯二甲酸乙二酯；一多孔聚合層，形成於該支撐層上，該多孔聚合層之材料包含聚碸及如下所示之雙性高分子：
Description
本創作係關於納濾複合膜，特別是關於具有多層高分子結構的納濾複合膜。
膜分離技術具有可在常溫下操作、能耗少及污染性低等優點，故其廣泛應用於食品、醫療、民生用水水質軟化、及工業廢水處理等領域。然而，近年來業界對於納濾複合膜性能的要求逐漸提高，其除了需具備精準的分子量切割，亦要求通量大及離子選擇率高。然而，目前市面上的納濾複合膜多無法兼具上述優點，且市售之納濾複合膜的通量大多數低於40公升/每平方公尺/每小時。
一般常見的納濾複合膜依據過濾順序由外而內依序包含界面聚合層、孔洞層及支撐層，納濾複合膜係利用表面的界面聚合層達到分離效果，而孔洞層與界面聚合層的交聯度、孔洞層的分布密度及界面聚合層的厚度皆會影響納濾複合膜的分離效果。膜科學雜誌（Journal of Membrane Science）西元2008年第309號第209至221頁的論文使用聚乙二醇當作降低塗膜料液相轉換時的表面張力，使溶劑析出而形成孔洞；中國發明專利公開案第107754618號使用非離子型界面活性劑；膜科學雜誌西元2009年第335號第133至139頁的論文使用陽離子型界面活性劑，但上述納濾複合膜之二價離子的脫鹽率皆低於96%。
因此，為符合日益對納濾複合膜之過濾功能的高要求，極需開發一種提高二價離子脫鹽率，且同時具備高於大多數市售產品之通量並維持一定程度之一價離子脫鹽率的納濾複合膜，以提升納濾複合膜的使用效率。
有鑑於現今納濾複合膜之二價離子脫鹽率不高，本創作提供一種納濾複合膜，其具有高的二價離子脫鹽率。
為達成前述目的，本創作提供一種納濾複合膜，包含：一支撐層，該支撐層之材料包含一聚酯；一多孔聚合層，形成於該支撐層上，該多孔聚合層之材料包含一聚碸及如下所示之一雙性高分子，
，
其中，n1、n2、n3、x及y皆為大於0的整數且使得該雙性高分子的分子量介於90,000與200,000之間，且該多孔聚合層中之該聚碸與該雙性高分子的重量比值係大於或等於2且小於或等於20；及一界面聚合層，形成於該多孔聚合層上，該界面聚合層之材料包含聚醯胺。
本創作的納濾複合膜由於多孔聚合層中的聚碸與雙性高分子的重量比值介於2與20之間，所以納濾複合膜具有高的二價離子脫鹽率。
依據本創作，當多孔聚合層中的聚碸與雙性高分子的重量比值介於2與10之間，可使得納濾複合膜之二價離子的脫鹽率高於99%，幾乎使所分離料液中的二價離子完全去除，適合應用於硬水軟化。
依據本創作，所使用的雙性高分子為具有親水性重複單元及親油性重複單元的聚合物。本創作所使用的雙性高分子中，親水性重複單元及親油性重複單元如下所示：
其中，n2及n3皆為大於0的整數。
 |  |
| 親水性重複單元、 | 親油性重複單元， |
依據本創作，雙性高分子由於同時具備親水性重複單元及親油性重複單元，故可降低塗膜料液的表面張力，在相轉換時產生微相分離，使微相區穩定，容易使溶劑置換而使得聚碸析出，形成高分子孔洞層，且孔洞分布均一。
依據本創作，該支撐層之厚度為0.09毫米至0.1毫米，該多孔聚合層之厚度為0.02毫米至0.06毫米，且該界面聚合層的厚度為50奈米至200奈米。此外，所述納濾複合膜之總厚度的範圍可控制在0.1毫米至0.16毫米之間。
依據本創作，納濾複合膜中的聚酯可為聚對苯二甲酸乙二酯。
依據本創作，界面聚合層中的聚醯胺係利用一雙胺化合物與一醯氯化合物聚合而成。由於本創作之多孔聚合層的雙性高分子包含聚醯胺官能基，而界面聚合層亦具有聚醯胺官能基，故可使得界面聚合層與多孔聚合層更緊密地貼合，不會因高壓或長時間使用而造成此兩層剝離。
依據本創作，該雙胺化合物可為哌嗪或間苯二胺。
依據本創作，該醯氯化合物可為均苯三甲醯氯或對苯二甲醯氯。
依據本創作，界面聚合層中的聚醯胺係利用哌嗪與均苯三甲醯氯經聚合反應所得。
依據本創作，納濾複合膜之二價離子的脫鹽率大於96%；較佳地，納濾複合膜之二價離子的脫鹽率大於99%；更佳地，納濾複合膜之二價離子的脫鹽率大於99.5%。
依據本創作，納濾複合膜之一價離子的脫鹽率低於38%；較佳地，納濾複合膜之一價離子的脫鹽率低於36%；更佳地，納濾複合膜之一價離子的脫鹽率低於33%；再更佳地，納濾複合膜之一價離子的脫鹽率低於30%。據此，本創作的納濾複合膜不僅可將二價離子的脫鹽率提高至大於96%，更可將一價離子的脫鹽率維持在低於38%之程度。
依據本創作，納濾複合膜之二價離子的脫鹽率與一價離子的脫鹽率之差異（離子選擇率）皆可大於62%。
依據本創作，納濾複合膜之截留分子量為200道爾頓至400道爾頓。因此，本創作之納濾複合膜可控制特定受截留之物質的分子量。
依據本創作，納濾複合膜之二價離子水溶液通量為40升/平方公尺/小時至95升/平方公尺/小時。
以下，將藉由具體實施例說明本創作之實施方式，熟習此技藝者可經由本說明書之內容輕易地了解本創作所能達成之優點與功效，並且於不悖離本創作之精神下進行各種修飾與變更，以施行或應用本創作之內容。
請參照圖1，納濾複合膜1係採用高分子材料所製成，該納濾複合膜1包含：一支撐層11、形成於該支撐層上的一多孔聚合層12、及形成於該多孔聚合層上的一界面聚合層13。
《超濾膜》
實施例
1
至
4
：超濾膜
依下表1之實施例1至4之各原料的重量百分比秤取適量的聚碸、雙性高分子、氯化鋰、及
N-甲基吡咯烷酮並混合均勻，接著在超過80°C、攪拌速度每分鐘300轉（revolutions per minute（rpm））的條件下進行溶解約6小時，再進行真空脫泡約3小時，即可製得均一、無氣泡且外觀略帶黃色的塗膜料液。於此，上述高分子的結構式為如下所示：
。
接著，利用可調厚度之狹縫式塗頭，將其厚度控制在0.2毫米（mm）且寬度控制在1040 mm，使其將溫度為25°C至26°C的塗膜料液塗佈在聚酯不織布（作為支撐層）上，其中該聚酯不織布的厚度為0.12 mm、寬度為1070 mm，且塗膜速度約3公尺/分鐘（m/min）。
接著，將甫塗膜的聚酯不織布浸入由水和有機溶劑混合的共溶劑中相轉換成膜，其中有機溶劑為
N-甲基吡咯烷酮，且水與
N-甲基吡咯烷酮的混合比例為2：1。最後再經純水槽洗淨，即可在聚酯不織布上形成多孔聚合層，所得的雙層結構稱為超濾膜，即超濾膜包含聚酯不織布、及形成於聚酯不織布上的多孔聚合層。
比較例
1
：超濾膜
製造比較例1之超濾膜的步驟大致與製造實施例1至4之超濾膜的步驟相同，惟比較例1之超濾膜並未添加雙性高分子。
試驗例
1
：超濾膜的純水通量
將實施例1至4之超濾膜與比較例1之超濾膜於25°C的溫度下、2公斤/平方公分的壓力下測量純水每小時通過每平方公尺的超濾膜的公升數，通量單位為LMH（L/m
2/hr）。測試結果如下表1所示。
試驗例
2
：超濾膜的截留分子量
使用實施例1至4之超濾膜與比較例1之超濾膜過濾1重量百分比（wt%）的聚乙二醇水溶液，將通過超濾膜之聚乙二醇水溶液採樣並利用液相層析串聯質譜儀以分析聚乙二醇的分子量分布範圍，截留分子量（molecular weight cutoff，MWCO）測試結果如下表1所示，其中分子量的單位為道爾頓（Dalton，Da）。
表1：製備實施例1至4及比較例1的超濾膜所使用的原料之重量百分比，及實施例1至4及比較例1之超濾膜的特性測量結果。
| 超濾膜 | 實施例1 | 實施例2 | 實施例3 | 實施例4 | 比較例1 |
| 聚碸（wt%） | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 |
| 雙性高分子（wt%） | 8.5 | 5 | 2.2 | 1.1 | 0 |
| 氯化鋰（wt%） | 1.2 | 1.2 | 1.2 | 1.2 | 1.2 |
| N-甲基吡咯烷酮（wt%） | 70.3 | 73.8 | 76.6 | 77.7 | 78.8 |
| 聚碸與雙性高分子的重量比值 | 2.4 | 4 | 9.1 | 18.2 | - |
| 純水通量（LMH） | 137 | 177 | 261 | 312 | 426 |
| 截留分子量（Da） | 6K-10K | 20K-23K | 30K-32K | 50K-52K | 70K-80K |
《納濾複合膜》
實施例
1A
至
4A
：納濾複合膜
將實施例1至4之超濾膜藉由界面縮合法在其各自的多孔聚合層表面上形成界面聚合層，所形成的三層結構稱為納濾複合膜，換言之，納濾複合膜包含支撐層、多孔聚合層、及界面聚合層。在多孔聚合層表面上形成界面聚合層的步驟如下所述。
依下表2配製製備實施例1A至4A之界面聚合層所需之含有哌嗪及3,5-二胺基苯甲酸之pH值介於8至9之間的水溶液。具體而言，依下表2秤取適量的哌嗪及3,5-二胺基苯甲酸溶於水得到pH值介於8與9之間的水溶液。接著，再分別將上述實施例1至4之超濾膜充分浸潤於所配製的水溶液2分鐘。之後，去除超濾膜表面多餘的水相溶液，將帶有水相的超濾膜與含有均苯三甲醯氯與正己烷的有機相溶液接觸45秒至50秒，待反應結束後置入水中洗淨2分鐘，即可得到實施例1A至4A之納濾複合膜。
比較例
1A
：納濾複合膜
製造比較例1A之納濾複合膜的步驟與製造實施例1A至4A之納濾複合膜的步驟相同。
試驗例
3
：納濾複合膜的通量及二價離子脫鹽率
將實施例1A至4A之納濾複合膜與比較例1A之納濾複合膜於100磅力/平方英寸（psi）的壓力下進行2000 ppm之硫酸鎂水溶液（MgSO
4(aq)）的脫鹽測試以計算脫鹽率，並於25°C的溫度下量測其通量。於此，脫鹽率的計算是先測量未通過納濾複合膜之硫酸鎂水溶液的導電度（導電度
( 通過前 )）及通過納濾複合膜之硫酸鎂水溶液（導電度
( 通過後 )）的導電度，再依照公式[(導電度
( 通過前 )－導電度
( 通過後 ))÷導電度
( 通過前 )×100%]計算脫鹽率；此外，通量單位為LMH。各測試結果如下表2所示。
試驗例
4
：納濾複合膜的一價離子脫鹽率
將實施例1A至4A之納濾複合膜與比較例1A之納濾複合膜於100 psi的壓力下進行2000 ppm之氯化鈉水溶液（NaCl
(aq)）的脫鹽測試以計算脫鹽率。於此，脫鹽率的計算是先測量未通過納濾複合膜之氯化鈉水溶液的導電度（導電度
( 通過前 )）及通過納濾複合膜之氯化鈉水溶液（導電度
( 通過後 )）的導電度，再依照公式[(導電度
( 通過前 )－導電度
( 通過後 ))÷導電度
( 通過前 )×100%]計算脫鹽率。各測試結果如下表2所示。
試驗例
5
：納濾複合膜的截留分子量
使用實施例1A至4A之納濾複合膜與比較例1A之納濾複合膜過濾1 wt%的聚乙二醇水溶液，將通過納濾複合膜之聚乙二醇水溶液採樣並利用液相層析串聯質譜儀以分析聚乙二醇的分子量分布範圍，截留分子量測試結果如下表2所示，其中分子量的單位為Da。
表2：以實施例1至4及比較例1之超濾膜製備實施例1A至4A及比較例1A的納濾複合膜所使用的原料之重量百分比，及實施例1A至4A及比較例1A之納濾複合膜的特性測量結果。
| 超濾膜 | 實施例1 | 實施例2 | 實施例3 | 實施例4 | 比較例1 |
| 聚碸與雙性高分子的重量比值 | 2.4 | 4 | 9.1 | 18.2 | - |
| 納濾複合膜 | 實施例1A | 實施例2A | 實施例3A | 實施例4A | 比較例1A |
| 哌嗪（wt%） | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 3,5-二胺基苯甲酸（wt%） | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.05 |
| 均苯三甲醯氯（wt%） | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.15 | 0.1 |
| 水（wt%） | 97.75 | 97.75 | 97.75 | 97.80 | 97.85 |
| 硫酸鎂水溶液通量（LMH） | 46 | 65 | 74 | 94 | 97 |
| 二價離子脫鹽率（%） | 99.67 | 99.42 | 99.41 | 96.32 | 94.65 |
| 一價離子脫鹽率（%） | 37.26 | 35.72 | 32.65 | 29.32 | - |
| 截留分子量（Da） | 200-240 | 200-240 | 200-240 | 300-400 | 420-500 |
《實驗結果討論》
由表2可知，由於納濾複合膜中之多孔聚合層中的聚碸與雙性高分子的重量比值介於2與20之間，所以本創作之實施例1A至4A的納濾複合膜之二價離子的脫鹽率皆高於96%，因此適合應用於水質軟化處理，以去除硬水中的高濃度的二價離子。
細觀表1及表2，隨著實施例1至4之多孔聚合層中雙性高分子的含量增加，所製得之實施例1A至4A的納濾複合膜能有效增加二價離子的脫鹽率至高於96%，且實施例1A至3A之納濾複合膜的二價離子脫鹽率皆高於99%，實施例1A之納濾複合膜的二價離子脫鹽率甚至高於99.5%。反觀比較例1A的納濾複合膜，由於比較例1的多孔聚合層中未含有本創作之雙性高分子，故製得之比較例1A之納濾複合膜的二價離子脫鹽率低於95%。由上可知，本創作之納濾複合膜有較佳的水質軟化效果。
再觀實施例1A至4A之納濾複合膜，其硫酸鎂水溶液的通量介於40 LMH至95 LMH之間，皆在可接受的範圍之內，在僅需二價離子脫鹽率為96%的情況下，可採用實施例4A之納濾複合膜，其通量達94 LMH，有效加快分離水中二價離子的效率。
此外，由表2可知，實施例1A至4A之納濾複合膜的孔洞可有效截留分子量200 Da至240 Da的物質或分子量300 Da至400 Da的物質，可視情況應用於分離料液中之200 Da至240 Da的物質或分子量300 Da至400 Da的物質。
綜合上述實驗結果，本創作之納濾複合膜能提高二價離子的脫鹽率並且維持相當的二價離子水溶液通量與一價離子的脫鹽率，並能分離料液中特定分子量的物質。
上述實施例係僅為說明本創作之例示，並非於任何方面限制本創作所主張之權利範圍。本創作所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述具體實施例。
1:納濾複合膜
11:支撐層
12:多孔聚合層
13:界面聚合層
圖1係本創作之納濾複合膜的剖面圖。
1:納濾複合膜
11:支撐層
12:多孔聚合層
13:界面聚合層
Claims (8)
- 一種納濾複合膜，包含：一支撐層，該支撐層之材料包含一聚酯；一多孔聚合層，形成於該支撐層上，該多孔聚合層之材料包含一聚碸及如下所示之一雙性高分子：，其中，n1、n2、n3、x及y皆為大於0的整數且使得該雙性高分子的分子量介於90,000與200,000之間，且該多孔聚合層中之該聚碸與該雙性高分子的重量比值係大於或等於2且小於或等於20；及一界面聚合層，形成於該多孔聚合層上，該界面聚合層之材料包含聚醯胺。
- 如請求項1所述之納濾複合膜，其中該多孔聚合層中之該聚合與該雙性高分子的重量比值係大於或等於2且小於或等於10。
- 如請求項1所述之納濾複合膜，其中該支撐層之厚度為0.09毫米至0.1毫米，該多孔聚合層之厚度為0.02毫米至0.06毫米，且該界面聚合層的厚度為50奈米至200奈米。
- 如請求項3所述之納濾複合膜，其中該聚酯係聚對苯二甲酸乙二酯。
- 如請求項3所述之納濾複合膜，其中該聚醯胺係利用哌嗪與均苯三甲醯氯經聚合反應所得。
- 如請求項1至5中任一項所述之納濾複合膜，其中該納濾複合膜之二價離子的脫鹽率係高於或等於96%。
- 如請求項1至5中任一項所述之納濾複合膜，其中該納濾複合膜之截留分子量為200道爾頓至400道爾頓。
- 如請求項1至5中任一項所述之納濾複合膜，其中該納濾複合膜之二價離子水溶液通量為40升/平方公尺/小時至95升/平方公尺/小時。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW109209644U TWM605604U (zh) | 2020-07-28 | 2020-07-28 | 納濾複合膜 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW109209644U TWM605604U (zh) | 2020-07-28 | 2020-07-28 | 納濾複合膜 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWM605604U true TWM605604U (zh) | 2020-12-21 |
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|---|---|---|---|
| TW109209644U TWM605604U (zh) | 2020-07-28 | 2020-07-28 | 納濾複合膜 |
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| TW (1) | TWM605604U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113680210A (zh) * | 2021-08-17 | 2021-11-23 | 安徽智泓净化科技股份有限公司 | 低价离子分离用纳滤膜及其制备方法 |
-
2020
- 2020-07-28 TW TW109209644U patent/TWM605604U/zh unknown
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113680210A (zh) * | 2021-08-17 | 2021-11-23 | 安徽智泓净化科技股份有限公司 | 低价离子分离用纳滤膜及其制备方法 |
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