CN101879416A

CN101879416A - 一种纤维素复合纳滤膜的制备方法

Info

Publication number: CN101879416A
Application number: CN 201010161641
Authority: CN
Inventors: 徐又一; 李小林; 朱利平; 程梁; 朱宝库
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2010-11-10

Abstract

本发明公开了一种纤维素复合纳滤膜的制备方法。包括以下步骤：(1)将纤维素或其衍生物在加热的条件下溶解于离子液体，得到制膜溶液；(2)将制膜液均匀涂覆在无纺布支撑体上，然后连同支撑体浸入凝固浴中固化，得到纤维素复合膜；(3)将制得的纤维素复合膜置于多元酸、多元酰氯或多元酐溶液中进行交联，得到纤维素复合纳滤膜。本发明采用对纤维素及其衍生物有优异溶解能力的离子液体为制膜溶剂，成膜性能好，且可回收和重复使用。经交联得到的纤维素选择层有很好的亲水性和选择性，复合纳滤膜在较低的透膜压力下具有高通量和高截留率，可广泛应用于染料、中性粒子、药物、食品添加剂等的分离和浓缩。

Description

一种纤维素复合纳滤膜的制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳滤膜材料的制备技术，具体提供了一种纤维素复合纳滤膜的制备方法的方法。

背景技术

纳滤膜是近十几年发展起来的一种通量和分离效果都介于超滤膜和反渗透膜之间的新型的压力驱动膜，它的出现大大推动了膜技术及相关领域的发展。纳滤膜组件在80年代中期有了很快的进展，并实现在了工业化，在石化、生化、医药、食品、造纸、纺织、印染等领域以及水处理方面已得到了广泛的应用。对于纳滤膜的研究，我国起步较晚，始与80年代后期。虽然研究单位在不断的增加，但大部分都处于实验室阶段。

同传统的膜分离过程相比，纳滤膜有以下的特点：1)纳米级的空结构；2)操作压力低；3)具有较好的压密性和较强的抗污染能力；4)可以取代传统中处理过程中的多个步骤，因而具有较高的经济效益。

为了制得高通量操作压力低的纳滤膜，人们往往采用制备复合膜的制备办法。即在强度好通量大的支撑膜上面覆盖一层极薄的选择分离层。现在普遍采用的方法有涂覆法、界面聚合法、等离子辐照接枝、化学气相沉淀法和紫外接枝聚合等。现在工业化的产品大部分都是采用界面聚合的方法。

纤维素(cellulose)是由葡萄糖组成的大分子多糖，是植物细胞壁的主要成分。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50％以上。棉花的纤维素含量接近100％，为天然的最纯纤维素来源。一般木材中，纤维素占40～50％，还有10～30％的半纤维素和20～30％的木质素。相对于煤和石油等不可再生能源，，纤维素是自然界中取之不尽、用之不竭的可再生有机资源。而且纤维素材料本身无毒、抗水性强，符合生物可降解性、环境协调性材料的要求，因此纤维素作为基质材料的潜在应用范围非常广泛。

众所周知，纤维素不溶于普通溶剂，从而限制其广泛的应用。但是最近发现离子液体能够溶解纤维素，受到研究者们的极大关注。离子液体是一类在室温或临近室温下完全由阴、阳离子组成的液态有机盐，它具有优良的化学稳定性和热稳定性，难以被氧化，不可燃，分解温度可达400℃以上，且蒸汽压极低，几乎不挥发，并可方便地回收和重复使用，因而被认为是继超临界CO₂之后的又一种极具吸引力的“绿色”溶剂；离子液体具有“可设计性”，可以根据需要设计不同的阴/阳离子组合，调节离子液体的物化性质和功能特性，理论上有超过万亿种可能的离子液体。

目前，离子液体溶解纤维素在膜技术方面的研究已有一些报道。专利CNCN101463137利用离子液体能够作为纤维素、淀粉、木质素和蛋白质的共溶剂，制备优良的天然高分子共混膜。专利CN101234297公开了一种以离子液体为溶剂，利用各种纤维素为原料，采用干-湿法纺丝工艺纺丝制备得到了机械强度高、化学性能稳定的纤维素中空纤维膜，此种方法中，还需加入亲水性大分子和有机物致孔剂才能得到中空纤维膜。专利CN101284913描述了一种以离子液体为溶剂的纤维素膜的制备方法，即将絮状或粉碎后的纤维素与离子液体混合溶解后制膜，用于包装材料、装饰材料、印刷材料，专利CN101074287提供了以离子液体为溶剂，将纤维素与聚丙烯腈溶解共同溶解在离子液体中，制备均相混合溶液；可以采用水为凝固剂，制备纤维素/聚丙烯腈共混复合薄膜或复合纤维。专利CN101230494将粉碎的高、低聚合度混合的纤维素、麻、聚丙烯腈与离子液体中溶解，然后将纤维素、麻、聚丙烯腈组成的纺丝原液纺制成中空纤维膜，用于制造人工脏器和***的用膜。

本专利所提供的方法的特点是将离子液体应用到纳滤膜制备中，选用合适的离子液体将纤维素或其衍生物溶解得到制膜液，将制膜液均匀涂覆在无纺布支撑体上，然后连同支撑体浸入凝固浴中固化，得到纤维素复合膜，最后使用交联剂将纤维素或其衍生物交联，得到通量高、亲水性好的复合纳滤膜。

发明内容

本发明的目的是提供一种纤维素复合纳滤膜的制备方法，以一种纤维素复合纳滤膜的制备方法包括如下步骤：

纤维素复合纳滤膜的制备方法包括如下步骤：

1)将质量百分比为1.0～20.0％的纤维素或其衍生物和质量百分比为80.0～99.0％的离子液体加入耐高温容器中，在氩气保护下加热至80～150℃，机械搅拌下溶解均匀，得到制膜溶液；

2)将制膜溶液均匀刮涂在无纺布支撑体上，制膜溶液层厚度为50-300微米；

3)将涂覆有制膜溶液的无纺布在空气中空曝5～60秒，然后浸入温度为0～60℃的凝固浴中固化，得到纤维素复合膜；

4)将纤维素复合膜浸入质量百分浓度为0.1～10％的交联剂溶液中交联反应5分钟～1小时，然后取出置于60～120℃的烘箱中停留5～120分钟，得到纤维素复合纳滤膜。

所述的纤维素或其衍生物为乙基纤维素、纤维素粉或甲基纤维素。所述的离子液体由阳离子和阴离子组成，阳离子为1-烯丙基-3-甲基咪唑离子或1-丁基-3-甲基咪唑离子，阴离子为三氟甲磺酸离子、氯离子或溴离子。所述的凝固浴为水、乙醇中的一种或两者以任意比组成的混合物。所述的交联剂为戊二醛、丁二酐、均苯四甲酸酐、丁二酸、己二酸、均苯四酸、对苯二甲酸、均苯三甲酰氯或对苯二甲酰氯。所述交联剂的溶剂为正己烷、正庚烷或正辛烷。无所述的无纺布为丙纶(PP)、涤纶(PET)、锦纶(PA)、粘胶纤维、腈纶、乙纶(HDPE)、氯纶(PVC)、聚砜(PSf)。所述步骤1)的纤维素的质量分数优选为4％～12％，加热温度优选为80～120℃。所述步骤2)的涂覆厚度优选为100～200微米。所述步骤3)的空曝时间优选为10～60秒，凝固浴温度优选为10～35℃。所述步骤4)的交联剂浓度优选为0.5％～5％，交联时间优选为10～30分钟，烘箱温度优选为60～80℃，时间优选为5～60分钟。

本发明的有益效果是：

1.所制得的具有超薄致密分离层的复合纳滤膜，它的分离层厚度可以通过调节涂覆厚度和涂覆液浓度进行控制，得到的分离层致密而且无缺陷。

2.制模过程所使用的溶剂为离子液体，蒸汽压极低，几乎不挥发，并可方便地回收和重复使用，绿色环保。

3.纤维素方便得到，而且价格低廉，使该交联纤维素复合纳滤膜的制备方法更易于实现工业化。

4.所制得的具有超薄致密分离层的纤维素复合纳滤膜对多种染料的截留率达到100％，通量大。

具体实施方式

本发明提供一种纤维素复合纳滤膜的制备方法，由四个步骤组成，每个步骤的具体实施方式依次为：

1)将质量百分比为1.0～20.0％的纤维素或其衍生物和质量百分比为60.0～99.0％的离子液体加入耐高温容器中，在氩气保护下加热至80～150℃，在机械搅拌下溶解均匀，得到制膜溶液；

最佳条件：纤维素的质量分数为4％～12％，加热温度为80～120℃。

2)采用刮刀将制膜溶液均匀刮涂在无纺布支撑体上，制膜溶液层厚度为50-300微米；

最佳条件：涂覆厚度：100～200微米。

3)将涂覆有制膜溶液的无纺布在空气中空曝5～80秒，然后浸入温度为0～60℃的凝固浴中固化，得到纤维素复合膜；

最佳条件：空曝时间10～60秒，凝固浴温度为10～35℃。

4)将纤维素复合膜浸入质量百分浓度为0.1～10％的交联剂溶液中交联反应5分钟～1小时，然后取出置于50～120℃的烘箱中停留5～120分钟，得到纤维素复合纳滤膜。

最佳条件：交联剂浓度为0.5％～5％，交联时间10～30分钟，烘箱温度：60～80℃，时间：5～60分钟。

膜制备结束后，可以对含有离子液体的萃取剂精馏分离，以将离子液体回收利用。

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但是所述的实施方式举例并不构成对本发明的限制。

实施例1：

将质量百分含量为1％的纤维素(a-cellulose)质量百分含量为98％的离子液体1烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([AMIM]Cl)加入耐高温容器中，在氩气保护下升温至80℃，在机械搅拌下纤维素充分溶解均匀，得到澄清的涂覆液；将纤维素涂覆液均匀的涂覆在丙纶(PP)无纺布上，涂覆厚度为300微米；空曝时间为20秒，然后浸入到10℃的凝固浴中，凝固浴为去离子水，涂覆的纤维素溶液凝固，得到纤维素复合膜；将纤维素复合膜阴干，浸泡在均苯三甲酰氯的正己烷溶液中，质量分数为0.1％，5分钟后取出；然后将膜置于60℃的烘箱中保持10分钟，得到纤维素复合纳滤膜。在0.4Mpa的压力下用浓度为0.1g/L的亮蓝、刚果红和甲基橙进行测试，该膜的水通量为345.5L/m²h，其中亮蓝的脱除率为70.5％，刚果红脱除率为88.6％，甲基橙的脱除率为9.4％。

实施例2：

将质量百分含量为4％的纤维素(a-cellulose)质量百分含量为96％的离子液体1烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([AMIM]Cl)加入耐高温容器中，在氩气保护下升温至80℃，在机械搅拌下纤维素充分溶解均匀，得到澄清的涂覆液；将纤维素涂覆液均匀的涂覆在涤纶(PET)无纺布上，涂覆厚度为150微米；空曝时间为10秒，然后浸入到15℃的凝固浴中，凝固浴为去离子水，涂覆的纤维素溶液凝固，得到纤维素复合膜；将纤维素复合膜阴干，浸泡在丁二酐的正己烷溶液中，质量分数为1％，，10分钟后取出；然后将膜置于70℃的烘箱中保持20分钟，得到纤维素复合纳滤膜。在0.4Mpa的压力下用浓度为0.1g/L的亮蓝、刚果红和甲基橙进行测试，该膜的水通量为338.5L/m²h，其中亮蓝的脱除率为88.3％，刚果红脱除率为96.5％，甲基橙的脱除率为55.1％。

实施例3：

将质量百分含量为4％的纤维素(a-cellulose)质量百分含量为96％的离子液体1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐([BMIM]CF₃SO₃)加入耐高温容器中，在氩气保护下升温至90℃，在机械搅拌下纤维素充分溶解均匀，得到澄清的涂覆液；将纤维素涂覆液均匀的涂覆在锦纶(PA)无纺布上，涂覆厚度为200微米；空曝时间为20秒，然后浸入到60℃的凝固浴中，凝固浴为去离子水，涂覆的纤维素溶液凝固，得到纤维素复合膜；将纤维素复合膜阴干，浸泡在丁二酸的正辛烷溶液中，质量分数为2％，20分钟后取出；然后将膜置于70℃的烘箱中保持30分钟，得到纤维素复合纳滤膜。在0.4Mpa的压力下用浓度为0.1g/L的亮蓝、刚果红和甲基橙进行测试，该膜的水通量为288.5L/m²h，其中亮蓝的脱除率为90.5％，刚果红脱除率为100％，甲基橙的脱除率为65.7％。

实施例4：

将质量百分含量为6％的甲基纤维素(Methyl cellulose)质量百分含量为94％的离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([BMIM]Cl)加入耐高温容器中，在氩气保护下升温至90℃，在机械搅拌下纤维素充分溶解均匀，得到澄清的涂覆液；将纤维素涂覆液均匀的涂覆在粘胶纤维无纺布上，涂覆厚度为150μm；空曝时间为30秒，然后浸入到20℃的凝固浴中，凝固浴为乙醇，涂覆的纤维素溶液凝固，得到纤维素复合膜；将纤维素复合膜阴干，浸泡在均苯四甲酸酐的正庚烷溶液中，质量分数为3％，30分钟后取出；然后将膜置于70℃的烘箱中保持30分钟，得到纤维素复合纳滤膜。在0.4Mpa的压力下用浓度为0.1g/L的亮蓝、刚果红和甲基橙进行测试，该膜的水通量为188.5L/m²h，其中亮蓝的脱除率为100％，刚果红脱除率为100％，甲基橙的脱除率为90.2％。

实施例5：

将质量百分含量为6％的纤维素(a-cellulose)质量百分含量为94％的离子液体1烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([AMIM]Cl)加入耐高温容器中，在氩气保护下升温至100℃，在机械搅拌下纤维素充分溶解均匀，得到澄清的涂覆液；将纤维素涂覆液均匀的涂覆在腈纶无纺布上，涂覆厚度为180微米；空曝时间为30秒，然后浸入到15℃的凝固浴中，凝固浴为乙醇，涂覆的纤维素溶液凝固，得到纤维素复合膜；将纤维素复合膜阴干，浸泡在戊二醛的正辛烷溶液中，质量分数为4％，40分钟后取出；然后将膜置于80℃的烘箱中保持40分钟，得到纤维素复合纳滤膜。在0.4Mpa的压力下用浓度为0.1g/L的亮蓝、刚果红和甲基橙进行测试，该膜的水通量为158.5L/m²h，其中亮蓝的脱除率为100％，刚果红脱除率为100％，甲基橙的脱除率为98.2％。

实施例6：

将质量百分含量为8％的纤维素(a-cellulose)质量百分含量为92％的离子液体1-丁基-3-甲基咪唑溴盐([BMIM]Br)加入耐高温容器中，在氩气保护下升温至100℃，在机械搅拌下纤维素充分溶解均匀，得到澄清的涂覆液；将纤维素涂覆液均匀的涂覆在氯纶(PVC)无纺布上，涂覆厚度为120μm；空曝时间为30秒，然后浸入到5℃的凝固浴中，凝固浴为去离子水，涂覆的纤维素溶液凝固，得到纤维素复合膜；将纤维素复合膜阴干，浸泡在均苯四酸的正辛烷溶液中，质量分数为3％，10分钟后取出；然后将膜置于60℃的烘箱中保持30分钟，得到纤维素复合纳滤膜。在0.4Mpa的压力下用浓度为0.1g/L的亮蓝、刚果红和甲基橙进行测试，该膜的水通量为116.7L/m²h，其中亮蓝的脱除率为100％，刚果红脱除率为100％，甲基橙的脱除率为99.4％。

实施例7：

将质量百分含量为8％的纤维素(a-cellulose)质量百分含量为92％的离子液体1烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([AMIM]Cl)加入耐高温容器中，在氩气保护下升温至110℃，在机械搅拌下纤维素充分溶解均匀，得到澄清的涂覆液；将纤维素涂覆液均匀的涂覆在乙纶(HDPE)无纺布上，涂覆厚度为150微米；空曝时间为60秒，然后浸入到15℃的凝固浴中，凝固浴为乙醇，涂覆的纤维素溶液凝固，得到纤维素复合膜；将纤维素复合膜阴干，浸泡在对苯二甲酰氯的正己烷溶液中，质量分数为4％，20分钟后取出；然后将膜置于80℃的烘箱中保持40分钟，得到纤维素复合纳滤膜。在0.4Mpa的压力下用浓度为0.1g/L的亮蓝、刚果红和甲基橙进行测试，该膜的水通量为98.5L/m²h，其中亮蓝、刚果红、甲基橙的脱除率为100％。

实施例8：

将质量百分含量为10％的纤维素(a-cellulose)质量百分含量为90％的离子液体1烯丙基-3-甲基咪唑溴盐([AMIM]Br)加入耐高温容器中，在氩气保护下升温至110℃，在机械搅拌下纤维素充分溶解均匀，得到澄清的涂覆液；将纤维素涂覆液均匀的涂覆在PET无纺布上，涂覆厚度为100微米；空曝时间为1分钟，然后浸入到25℃的凝固浴中，凝固浴为乙醇和去离子水(体积分数为1∶1)，涂覆的纤维素溶液凝固，得到纤维素复合膜；将纤维素复合膜阴干，浸泡在均苯四甲酸酐的正辛烷溶液中，质量分数为4％，10分钟后取出；然后将膜置于60℃的烘箱中保持40分钟，得到纤维素复合纳滤膜。在0.4Mpa的压力下用浓度为0.1g/L的亮蓝、刚果红和甲基橙进行测试，该膜的水通量为78.5L/m²h，其中亮蓝、刚果红、甲基橙的脱除率为100％。

实施例9：

将质量百分含量为10％的乙基纤维素(Ethyl cellulose)质量百分含量为90％的离子液体1烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([AMIM]Cl)加入耐高温容器中，在氩气保护下升温至120℃，在机械搅拌下纤维素充分溶解均匀，得到澄清的涂覆液；将纤维素涂覆液均匀的涂覆在聚砜(PSf)无纺布上，涂覆厚度为150微米；空曝时间为30秒，然后浸入到15℃的凝固浴中，凝固浴为去离子水，涂覆的纤维素溶液凝固，得到纤维素复合膜；将纤维素复合膜阴干，浸泡在均苯三甲酰氯的正己烷溶液中，质量分数为5％，20分钟后取出；然后将膜置于80℃的烘箱中保持15分钟，得到纤维素复合纳滤膜。在0.4Mpa的压力下用浓度为0.1g/L的亮蓝、刚果红和甲基橙进行测试，该膜的水通量为66.7L/m²h，其中亮蓝、刚果红、甲基橙的脱除率为100％。

实施例10：

将质量百分含量为20％的纤维素(a-cellulose)质量百分含量为88％的离子液体1烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([AMIM]Cl)加入耐高温容器中，在氩气保护下升温至150℃，在机械搅拌下纤维素充分溶解均匀，得到澄清的涂覆液；将纤维素涂覆液均匀的涂覆在PET无纺布上，涂覆厚度为50微米；空曝时间为40秒，然后浸入到20℃的凝固浴中，凝固浴为去离子水，涂覆的纤维素溶液凝固，得到纤维素复合膜；将纤维素复合膜阴干，浸泡在均苯四甲酸酐的正庚烷溶液中，质量分数为10％，60分钟后取出；然后将膜置于120℃的烘箱中保持2小时，得到纤维素复合纳滤膜。在0.4Mpa的压力下用浓度为0.1g/L的亮蓝、刚果红和甲基橙进行测试，该膜的水通量为36.5L/m²h，其中亮蓝、刚果红、甲基橙的脱除率为100％。

Claims

1.一种纤维素复合纳滤膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

3)将涂覆有制膜溶液的无纺布在空气中空曝5～60秒，然后浸入温度为5～60℃的凝固浴中固化，得到纤维素复合膜；

4)将纤维素复合膜浸入质量百分浓度为0.1～10％的交联剂溶液中交联反应5分钟～1小时，然后取出置于60～100℃的烘箱中停留5～120分钟，得到纤维素复合纳滤膜。

2.根据权利要求1所述的一种纤维素复合纳滤膜的制备方法，其特征在于，所述的纤维素或其衍生物为乙基纤维素、纤维素粉或甲基纤维素。

3.根据权利要求1所述的一种纤维素复合纳滤膜的制备方法，其特征在于，所述的离子液体由阳离子和阴离子组成，阳离子为1-烯丙基-3-甲基咪唑离子或1-丁基-3-甲基咪唑离子，阴离子为三氟甲磺酸离子、氯离子或溴离子。

4.根据权利要求1所述的一种纤维素复合纳滤膜的制备方法，其特征在于，所述的凝固浴为水、乙醇中的一种或两者以任意比组成的混合物。

5.根据权利要求1所述的一种纤维素复合纳滤膜的制备方法，其特征在于，所述的交联剂为戊二醛、丁二酐、均苯四甲酸酐、丁二酸、己二酸、均苯四酸、对苯二甲酸、均苯三甲酰氯或对苯二甲酰氯，所述交联剂的溶剂为正己烷、正庚烷或正辛烷。

6.根据权利要求1所述的一种纤维素复合纳滤膜的制备方法，其特征在于，所述的的无纺布为丙纶(PP)、涤纶(PET)、锦纶(PA)、粘胶纤维、腈纶、乙纶(HDPE)、氯纶(PVC)、聚砜(PSf)。

7.根据权利要求1所述的一种纤维素复合纳滤膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1)的纤维素的质量分数为4％～12％，加热温度为80～120℃。

8.根据权利要求1所述的一种纤维素复合纳滤膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2)的涂覆厚度为100～200微米。

9.根据权利要求1所述的一种纤维素复合纳滤膜的制备方法，其特征在于，所述步骤3)的空曝时间为10～60秒，凝固浴温度为10～35℃。

10.根据权利要求1所述的一种纤维素复合纳滤膜的制备方法，其特征在于，所述步骤4)的交联剂浓度为0.5％～5％，交联时间为10～30分钟，烘箱温度为60～80℃，时间为5～60分钟。