CN106943894B - 一种氧化石墨烯改性的高性能超滤复合膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化石墨烯改性的高性能超滤复合膜及其制备方法,通过化学浸渍法和层层组装法,利用氧化石墨烯改性商业化聚偏氟乙烯超滤膜,制备高性能超滤复合膜。改性步骤如下:活化聚偏氟乙烯超滤膜;浸渍均苯三甲酰氯溶液,接枝酰氯基;浸渍氧化石墨烯溶液;循环交替浸渍乙二胺、氧化石墨烯溶液,使氧化石墨烯通过乙二胺交联剂连接并在膜表面形成层状结构,得到不同层数的氧化石墨烯复合膜。本发明制备的氧化石墨烯‑聚偏氟乙烯超滤膜具有通量高、抗污染性强、污染物去除率高的优点,其水通量可达3750~10150kg/m2h,对溶解性有机物的去除率为36.5~68%,较改性前超滤膜提高15%。
Description
技术领域
本发明涉及一种氧化石墨烯改性的高性能超滤复合膜及其制备方法。尤其是涉及一种高性能复合膜的制备方法。
背景技术
膜分离技术作为20世纪新兴起的一种分离技术,具有无二次污染、分离效率高、占地面积少等优点。膜分离技术包括微滤、超滤、反渗透、纳滤、正渗透等,其中超滤技术以其能耗低、对水中的悬浮物、胶体、病原体等颗粒物质去除率高的优势,在世界范围内的水处理行业应用广泛。目前常用的超滤膜材料主要有聚砜、聚醚砜、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯等。其中,聚偏氟乙烯具有良好的化学稳定性、热稳定性、易成膜等优点而广受青睐。但是在实际的应用中,常规的聚偏氟乙烯超滤膜孔径较大,对溶解性有机物去除率较低,对其中的腐殖酸类有机物几乎没有去除效果,而该类物质是三氯甲烷等消毒副产物的主要前驱物。另一方面,由于聚偏氟乙烯超滤膜的表面能较低,疏水性强,在过滤过程中极易吸附水体中的污染物,从而导致膜污染,因此,提高超滤膜对溶解性有机物的去除效率和抗污染性、对于减少消毒副产物的产生,进一步扩展超滤膜的应用范围具有重要意义。
目前提高超滤膜性能的主要方式是对膜进行改性,以纳米材料为基础的新型膜材料的合成是目前研究的热点,纳米材料具有较高的比表面积和优异的物理化学特性,通过纳米材料改性的复合膜能够提高膜的选择性去除率及渗透性。其中氧化石墨烯(GO)作为一种碳原子以sp2杂化轨道组成的二维单层碳纳米材料,富含羧基、羟基、环氧基等亲水性官能团。GO纳米片能够在基膜表面形成层状结构,有效提高膜表面的亲水性,增加污染物与GO的接触面积,并通过GO层的筛分作用截留比层间距大的分子,进而提高改性膜对小分子有机物或离子的去除效率。然而,由于氧化石墨烯的亲水性较强,负载的氧化石墨烯层在过滤过程中极不稳定。目前的主要改性方法是在氧化石墨烯层与基膜间涂覆一层结构致密的活性层(如:多巴胺、聚酰胺等),再利用交联剂将氧化石墨烯通过化学键作用连接起来,以提高目标污染物的去除率并为氧化石墨烯提供活性位点以增加改性膜的稳定性。但涂覆活性层的方法会导致改性膜的通量大幅下降,降低了膜的运行效率。同时,目前氧化石墨烯改性膜的研究多集中于去除离子或染料等分子量较小的污染物,而利用该膜去除溶解性有机物,控制消毒副产物的产生却鲜见报道。因此制备具有高通量、抗污染性、且对溶解性有机物具有较高去除效率的复合超滤膜具有重要的应用前景。
发明内容
本发明的目的是要解决现有氧化石墨烯表面改性超滤膜存在的改性后膜通量下降明显,氧化石墨烯层结构不稳定等问题,进一步提高超滤膜对溶解性有机物的去除率及抗污染性。本发明在不添加额外结构致密的活性层的前提下,通过表面活化法激发PVDF超滤膜表面的活性官能团,采用层层组装法将氧化石墨烯负载至活化膜表面,得到一种表层结构较疏松、高通量、对溶解性有机物具有高去除率的PVDF/GO复合超滤膜。
一种GO表面改性PVDF超滤膜的方法,具体操作步骤完成如下:
1.PVDF超滤膜表面活化:
通过化学浸渍法对PVDF膜表面进行活化,首先将PVDF商品超滤膜浸泡在氢氧化钾、四丁基氟化铵混合液中,将膜取出后直接置于亚硫酸氢钠、浓硫酸混合液中,得到表面带有羟基活性官能团的超滤膜。
2.接枝均苯三甲酰氯:
将步骤1)得到的活化膜置于均苯三甲酰氯溶液中,一定时间后取出,并用正己烷冲洗数次,得到表面带有酰氯基活性官能团的超滤膜。
3.接枝氧化石墨烯:
配制氧化石墨烯分散液,将步骤2)制得的超滤膜置于氧化石墨烯分散液中,一定时间后取出,用超纯水冲洗数次,得到膜表面带有单层氧化石墨烯的复合膜。
4.接枝氨基官能团:
配置一定浓度的乙二胺溶液,将表面带有氧化石墨烯的复合膜置于乙二胺溶液中5min,取出并用超纯水冲洗数次。
5.接枝氧化石墨烯:
将表面带有氨基的改性膜置于氧化石墨烯分散液中5min,取出并用超纯水冲洗数次。
6.重复步骤4和步骤5,得到不同层数的PVDF/GO复合膜,将膜浸渍于甲醇溶液中2h以去除物理作用的乙二胺,然后置于超纯水中待用。
7.氧化石墨烯-聚偏氟乙烯复合膜用于去除溶解性有机物,将复合膜置于外压、错流过滤***中进行测试,考察膜对污染物的去除率及抗污染性能。
有益效果:
本发明中PVDF/GO复合膜的优点在于:基膜与氧化石墨烯层间通过共价键连接,具有结构稳定且疏松两个特点,可确保复合膜的稳定性,同时保证复合膜具有较高的膜通量。氧化石墨烯层的层状结构具有一定的吸附性,可提高对溶解性有机物的去除率,其自身的亲水性可以提高复合膜的抗污染性能。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例,对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述,所描述的实施例仅为本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例,本领域研究人员在没有做出任何创造性劳动前提下所获得的其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种PVDF/GO复合膜,采用化学浸渍法将PVDF膜表面进行活化,采用层层组装法将GO层负载至活化膜表面,制得的复合膜通量较高,同时改性后的超滤膜提高了对溶解性有机物的去除率。
实施例1
(1)将聚偏氟乙烯(PVDF)超滤膜浸入1mol/L的氢氧化钾、0.25g的四丁基氟化铵混合液中进行活化处理15min,然后将膜取出并直接浸入1mol/L的亚硫酸氢钠、0.1g浓硫酸混合液中15min,得到膜表面带有羟基官能团的活化膜。
(2)将活化膜浸入均苯三甲酰氯溶液中5min,取出并用超纯水冲洗数次,将均苯三甲酰氯接枝至活化膜表面。
(3)配制尺寸大小为10~50μm、浓度为200mg/L的氧化石墨烯溶液,并将溶液在100kHz的频率下超声20min,得到均匀分散的GO溶液。将表面带有均苯三甲酰氯的膜浸入氧化石墨烯溶液中5min,取出并用超纯水冲洗数次,将氧化石墨烯接枝至膜表面。
(4)将步骤(3)中得到的膜浸入乙二胺的质量分数为25%的乙二胺溶液中5min,取出并用超纯水冲洗数次,将乙二胺接枝至改性膜表面。
(5)将步骤(4)得到的改性膜再次浸入氧化石墨烯溶液中5min,取出并用超纯水冲洗数次,将氧化石墨烯接枝至改性膜表面。
(6)将膜重复浸入乙二胺溶液、氧化石墨烯溶液中6次,得到含7层氧化石墨烯层的PVDF/GO-7复合膜。
(7)将制备好的PVDF/GO复合膜在外压、错流过滤***中进行测试,并选择未改性的超滤膜为对比。配制溶解性有机物溶液(DOC浓度为5mg/L),改性膜首先在0.2MPa的压力下预压5h至通量稳定,然后在运行压力为0.1MPa的条件下测试PVDF商品膜及GO/PVDF复合膜的渗透性能。膜***持续运行120min,期间每15min取样一次并对其水质进行分析及对膜通量进行在线监测。
实施例2
基于实施例1中的改性方法,不同之处仅在于步骤(6)中将膜重复浸入乙二胺溶液、氧化石墨烯溶液中14次,得到含15层氧化石墨烯层的PVDF/GO-15复合膜。
实施例1-2改性的GO/PVDF复合膜与PVDF超滤膜的各项测试数据如表1。表中可以看出,随着氧化石墨烯接枝层数的增加,膜的接触角降低、Zeta电位增加,说明改性后的GO/PVDF复合膜的亲水性增加、带电性增强。虽然随着氧化石墨烯层数的增加,改性膜的膜通量有所下降,但当氧化石墨烯负载15层时,膜通量仍可达到3750kg/m2h。
表1
图1和图2分别是商品超滤膜、实施例1和实施例2制得的复合膜在过滤期间对DOC及UV254去除率的变化关系图。由图可知,初始膜对DOC去除率为4.6%,实施例1及实施例2中改性膜对DOC的去除率分别为16%和21%,初始膜对UV254的去除率为36%,实施例1及实施例2中改性膜对UV254的去除率分别为36%和68%。随着运行时间的增加,改性膜对污染物的去除率并未呈现下降趋势,说明商品膜经过改性后提高了对污染物的去除率,并且性能稳定。图3是三种膜过滤过程中膜通量的变化关系图,由图可知,改性膜随着氧化石墨烯层数的增加,膜在运行过程中通量下降率降低。初始膜的初始通量下降率为33%,两小时后通量下降率为60%,实施例1中改性膜的初始通量下降率为9%,两小时后通量下降率为53%,实施例2中改性膜的初始通量下降率为2%,两小时后通量下降率为25%。说明氧化石墨烯改性商品膜后,提高了膜的抗污染性能。
Claims (11)
1.一种氧化石墨烯改性的高性能超滤复合膜的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)活化PVDF超滤膜:将PVDF超滤膜置于氢氧化钾、四丁基氟化铵混合液中浸泡一段时间,取出并放置于亚硫酸氢钠、浓硫酸混合液中,取出并用超纯水冲洗数次;
(2)接枝酰氯基官能团:称取一定量均苯三甲酰氯,以正己烷为溶剂,制得均苯三甲酰氯溶液;将活化后的膜浸渍在均苯三甲酰氯溶液中一定时间,取出并用正己烷冲洗数次;
(3)接枝氧化石墨烯:配置氧化石墨烯水溶液,将表面带有酰氯基团的膜置于氧化石墨烯分散液中浸泡,取出并用超纯水冲洗数次;
(4)接枝氨基官能团:将一定量的乙二胺溶于水中,搅拌后将表面带有氧化石墨烯的改性膜置于乙二胺溶液中,一段时间后取出并用超纯水冲洗数次;
(5)接枝氧化石墨烯:将表面带有氨基的改性膜置于氧化石墨烯分散液中,取出后用超纯水冲洗数次;
(6)重复步骤(4)和步骤(5)数次,得到不同层数的氧化石墨烯-聚偏氟乙烯复合膜,将膜浸渍于甲醇溶液中2h去除乙二胺,然后置于超纯水中待用;
(7)氧化石墨烯-聚偏氟乙烯复合膜用于去除溶解性有机物,将复合膜置于外压、错流过滤***中进行测试,考察膜对污染物的去除率及抗污染性能。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述PVDF超滤膜为北京清大国华膜科技有限公司提供的分子截留量为100kDa的商品平板超滤膜,膜通量为10000~30000kg/m2h。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,将PVDF膜表面活化与氧化石墨烯层层组装法两种方式进行结合得到聚偏氟乙烯-氧化石墨烯复合膜。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,活化后的PVDF膜与氧化石墨烯层通过均苯三甲酰氯连接;氧化石墨烯层间通过乙二胺连接。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述的氢氧化钾的浓度为0.8~1.5mol/L,四丁基氟化胺的投加量为0.2~0.5g,PVDF商品超滤膜在两溶液中的浸渍时间为10~15min。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述的亚硫酸氢钠的浓度为0.8~1.5mol/L,浓硫酸投加量为0.1~0.2g,在混合液中的浸泡时间为10~15min。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述的均苯三甲酰氯的质量分数为0.1%~0.15%。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(3)中所述的氧化石墨烯的尺寸大小为10~50μm,分散液中氧化石墨烯的浓度为100~200mg/L。
9.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(4)中所述的乙二胺溶液中乙二胺的质量分数为25%~50%。
10.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(6)中所述的不同层数的氧化石墨烯-聚偏氟乙烯复合膜中氧化石墨烯的层数为2~15层。
11.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(7)中所述的溶解性有机物主要物质为苏望尼河天然有机质,且DOC浓度为5mg/L;氧化石墨烯-聚偏氟乙烯复合膜对其去除率为36.5%~68%,较改性前超滤膜提高15%,水通量为3750~10150kg/m2·h。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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