CN108043239A - 一种带聚磺化多巴胺层的阴离子交换膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带聚磺化多巴胺层的阴离子交换膜的制备方法,利用多巴胺自聚合原理,将磺化多巴胺通过自聚合方式沉积到膜表面,得到附着磺化多巴胺层的改性阴离子交换膜,从而使阴离子交换膜对一二价阴离子具有很好的选择分离性能,同时具备一定的抗污染性能。本发明工艺简单,操作易行,制备过程无毒环保。
Description
技术领域
本发明涉及制备兼具单价选择性和抗污染性阴离子交换膜的方法,特别是指一种采用自聚合沉积制备兼具单价选择性和抗污染性带聚磺化多巴胺层的阴离子交换膜的方法。
背景技术
电渗析技术,作为一种电驱动膜分离过程,广泛应用于盐水淡化和废水污水的处理净化。其核心是离子交换膜,然而因为未处理水的复杂性使得这一技术经受着巨大挑战,包括去除地下水中有害的F-和NO3 -以及分离SO4 2-以避免产生CaSO4沉淀影响水处理过程,另外水体中的有机污染物也会对膜性能造成影响。阴离子交换膜是离子交换膜中重要的一部分,通过提高其选择透过性以及抗污染能力能有效解决这一问题。近年提高对阴离子选择透过性的方法主要是通过在阴离子膜表面沉积改性一层聚阴离子物质,从而提高阴离子交换膜的单价选择性。Journal of Membrane Science上刊登了层层电沉积方法,在商品阴离子交换膜表面通过施加电场,交替沉积聚阴离子物质和聚阳离子物质,使得改性膜具备单价选择能力。
然而,上述层层电沉积方法操作繁杂,离子选择性及改性层的稳定性不高。
因此,本发明旨在提供一种制备兼具单价选择性和抗污染性阴离子交换膜的方法,制备出的膜具有良好的单价选择性能,同时还增强了膜的抗污染性能。本方法大大增强单价选择性以及改性层稳定性。
发明内容
本发明的目的在于解决商品化阴离子交换膜对一二价阴离子选择分离性能不高,现有制备具有单价选择性阴离子膜的方法繁琐,以及在处理水过程中易受污染的问题,提供一种简单方便的制备兼具单价选择性和抗污染性带聚磺化多巴胺层阴离子交换膜的方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的:
一种制备兼具单价选择性和抗污染性阴离子交换膜带聚磺化多巴胺层的方法,其特征在于:使用聚合沉积方法,将磺化多巴胺(SDA)溶于Tris缓冲溶液中,通过自聚反应沉积在阴离子交换膜表面,得到附着有SDA层的改性阴离子交换膜。
进一步,本发明所述的方法具体按照如下步骤进行制备:
(1)以阴离子交换膜作为基膜,依次用0.2mol/L的NaOH溶液和0.2mol/L的HCl溶液进行漂洗,再用超纯水冲洗得到预处理的基膜浸泡于0.5mol/L的NaCl溶液中24小时,待用;
(2)将盐酸多巴胺溶于无水乙醇中,缓慢加入20~30wt%的氨水和1,3-丙磺酸内酯,在40~50℃下反应15~20小时,将所得反应混合物过滤,所得滤渣用无水乙醇冲洗后干燥,得到磺化多巴胺;所述的盐酸多巴胺与所述的1,3-丙磺酸内酯的物质的量之比为1:0.8~1.2;所述的无水乙醇的加入量以所述的盐酸多巴胺的质量计为80~140mL/g;所述的氨水的加入量以所述的盐酸多巴胺的质量计为0.35~0.45mL/g;
(3)将磺化多巴胺溶于pH为8.5~8.8的Tris缓冲溶液,得到混合溶液;所述的Tris缓冲溶液的浓度为0.01mol/L;所述的磺化多巴胺的加入量以所述的Tris缓冲溶液的体积计为0.001~0.003g/mL;
(4)将所述的预处理的基膜安装在“两膜三室”装置上的通孔处,所述的装置包括第一通气室、料液室、第二通气室、电动搅拌器和输气泵,所述的第一通气室、料液室和第二通气室通过长螺杆固接形成密封的三室结构,所述的料液室夹在所述的第一通气室和所述的第二通气室之间;所述的料液室的两侧面设有与料液室内腔连通的通孔,所述预处理的基膜为隔膜安装在所述的通孔处,所述的第一通气室、第二通气室各自通过所述预处理的基膜与料液室的内腔相连,将所述的混合溶液加入料液室后搅拌,在20~25℃下搅拌4~48小时,反应同时始终保持通气室与空气连通,使得预处理的基膜表面形成均匀的聚磺化多巴胺层,得到带聚磺化多巴胺层的阴离子交换膜。
再进一步,步骤(2)中,优选所述的反应温度为50℃,反应时间为18h。
更进一步,步骤(4)中,所述的搅拌速度为150r/min。
根据本发明所述的制备方法所采用的的设备参见CN201610124160.6,具体包括第一通气室、料液室、第二通气室、电动搅拌器和输气泵,所述的第一通气室、料液室和第二通气室通过长螺杆固接形成密封的三室结构,其中所述的料液室夹在所述的第一通气室和所述的第二通气室之间;所述的料液室的两侧面设有与料液室内腔连通的通孔,所述的通孔处安装预处理的基膜;所述的第一通气室的内侧面和所述的第二通气室的内侧面分别设有与料液室同侧面通孔对应的通气孔,所述的第一通气室的进气口、所述的第二通气室的进气口分别与所述的输气泵的出气口管路连通;所述的电动搅拌器的搅拌桨伸入所述的料液室的内腔。
所述的通孔边缘配有用于密封的第一橡胶圈,通孔周向的凹槽内配有用于密封的第二橡胶圈。
所述的第一通气室顶部设有与第一通气室连通的第一排气口。
所述的第二通气室顶部设有与第二通气室连通的第二排气口。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
(1)本发明通过自聚反应直接在膜表面沉积,大大减少反应步骤,实现一步改性,同时大幅提高阴离子交换膜对单价阴离子的选择性。
(2)本发明采用的磺化多巴胺(SDA),具有类似多巴胺的聚合能力以及粘附性,且化学性质稳定、无毒环保。
(3)本发明工艺简单,操作易行,制备过程无毒环保。
附图说明
图1为磺化多巴胺合成路线以及化学结构式。
图2为本发明采用的装置示意图。
图3为本发明制备的带聚磺化多巴胺层的阴离子交换膜的选择透过性测定的示意图。
图4为本发明制备的带聚磺化多巴胺层的阴离子交换膜的抗污染性能测定示意图。
图5为本发明基膜与带聚磺化多巴胺层的阴离子交换膜对一二价阴离子选择分离能力测试。
图6为本发明带聚磺化多巴胺层的阴离子交换膜选择分离稳定性测试曲线。
图7为本发明基膜与带聚磺化多巴胺层的阴离子交换膜对十二烷基苯磺酸钠抗污染测试。
具体实施方式
制备本发明所述的带聚磺化多巴胺层的阴离子交换膜所采用的设备,包括第一通气室1、料液室2、第二通气室3、电动搅拌器4和输气泵5,所述的第一通气室1、料液室2和第二通气室3通过长螺杆固接形成密封的三室结构,其中所述的料液室2夹在所述的第一通气室1和所述的第二通气室3之间;所述的料液室2的两侧面设有与料液室内腔连通的通孔21,所述的通孔21处安装预处理的基膜6;所述的第一通气室1的内侧面和所述的第二通气室3的内侧面分别设有与料液室2同侧面通孔对应的通气孔,所述的第一通气室1的第一进气口11、所述的第二通气室3的第二进气口31分别与所述的输气泵5的出气口管路连通;所述的电动搅拌器4的搅拌桨41伸入所述的料液室2的内腔。
所述的通孔21边缘配有用于密封的第一橡胶圈22,通孔周向的凹槽内配有用于密封的第二橡胶圈23。
所述的第一通气室1顶部设有与第一通气室连通的第一排气口12。
所述的第二通气室3顶部设有与第二通气室连通的第二排气口32。
所述的第一通气室、第二通气室以及所述的料液室为方形结构,并且第一通气室、第二通气室以及所述的料液室四个顶角处配有用于安装长螺杆的安装孔24。
所述的电动搅拌器4上配有调速旋钮42和开关按钮43。
实施例1自聚沉积、改性阴离子交换膜的步骤
本发明所述的一种带聚磺化多巴胺层的阴离子交换膜的制备方法,包括如下步骤:
以均相的日本FUJIFILM商品化阴离子交换膜作为基膜,用0.2MNaOH和0.2M HCl溶液依次漂洗原商业膜,洗去膜表面杂质和商业膜表面附带的保护物质,将膜储存于0.5MNaCl溶液中24小时。自聚沉积的磺化多巴胺合成步骤及结构式如图1所示。将1.1376g(6mmol)的盐酸多巴胺溶于150mL的无水乙醇中置于250mL烧瓶中,缓慢加入416μL(3mmol)28wt%的氨水和799mg(6.5mmol)的1,3-丙磺酸内酯,在50℃下反应18小时,烧瓶底部出现白色沉淀物,将沉淀过滤后用无水乙醇冲洗三遍后置于40℃的真空干燥箱中干燥,即得到磺化多巴胺(SDA),自聚沉积制备兼具单价选择性和抗污染性阴离子交换膜的示意图如图2所示。
将待改性膜安装在所述的通孔处,向中间料液室倒入3g/L的SDATris缓冲溶液,另外两室通气室,保证两侧空气流动。膜竖直放置且一侧与磺化多巴胺溶液接触,另一侧与空气中的氧气接触,聚合沉积过程保持温度为22℃以及电动搅拌器转速为150r/min,通过控制沉积时间得到不同厚度的聚磺化多巴胺层,随着沉积时间增加到48小时,聚磺化多巴胺层的厚度达到0.53μm,膜表面改性部位的颜色也逐渐变深至棕黑色。
实施例2对于自聚沉积、改性阴离子交换膜进行选择性测试
以实施例1中制备的多张自聚沉积不同时间的改性膜为例,将膜置于电渗析装置中进行测试。膜的选择性测试示意图如图3所示。每个室的体积为100mL,有效面积为19.625cm2。中间两室分别为淡室和浓室,其中加入100mL0.05M的Na2SO4和NaCl混合溶液,旁边两个电极室中加入0.2M的Na2SO4溶液作为电解液。在5.1mA·cm-2电流密度下运行,电渗析时间控制为120min,每隔30min取淡室侧料液通过离子色谱测定其Cl-和SO4 2-浓度。选择性大小由表示,计算公式如下:
其中Ji为目标离子通量,单位为mol·m-2·s-1;c为淡室测离子浓度,单位为M。
对一二价阴离子选择性测试如图5所示。
商业原膜的选择性在电渗析过程中始终保持在1左右,表明Cl-和SO4 2-离子无差别的透过膜,而被聚磺化多巴胺沉积的改性膜的选择性随着沉积时间的增加得到显著提高。在电渗析过程进行到90分钟时,沉积4小时的改性膜选择性为1.49,沉积48小时的改性膜的选择性更是达到了34.02,因为聚磺化多巴胺层的沉积使得表面更加致密并且带有大量的荷负电性,对SO4 2-离子的通过有更大的阻碍作用,证明聚磺化多巴胺沉积能够有效提高商业阴离子膜的选择性。
实施例3对于自聚沉积、改性阴离子交换膜进行选择性稳定测试
以实施例1中制备的自聚沉积时间48小时的改性膜为例,将膜置于电渗析装置中进行测试,待测试膜在测试前于0.5M NaCl溶液中保存一个月。测试示意图如图3所示。每个室的体积为100mL,有效面积为19.625cm2。中间两室分别为淡室和浓室,其中加入100mL0.05M的Na2SO4和NaCl混合溶液,旁边两个电极室中加入0.2M的Na2SO4溶液作为电解液。在5.1mA·cm-2电流密度下运行,测试时间总共80小时,每隔2小时取淡室侧料液通过离子色谱测定Cl-和SO4 2-浓度。每次取样之后替换料液。
对改性膜选择性稳定测试如图6所示。
沉积48小时的带聚磺化多巴胺层的阴离子交换膜在连续电渗析过程中淡室的Cl-和SO4 2-离子浓度始终在0.01M和0.04M附近,没有明显的波动,证明聚磺化多巴胺层具有良好的稳定性以及超强黏附性能。
实施例4对于自聚沉积、改性阴离子交换膜进行抗污染测试
以实施例1中制备的自聚沉积时间48小时的改性膜为例,在2mA·cm-2电流密度下使用四电极体系对膜的抗污染性能进行表征如图4所示。中间两个料液室为0.05M NaCl和0.174kg·m-3十二烷基苯磺酸钠(SDBS)的混合溶液,旁边两个料液室为0.05M NaCl溶液,电极室和料液室的溶液分别以1.2×10-3m3·min-1的流量在30℃循环,有效面积为7.065cm2。膜两端电压变化通过Ag/AgCl电极和万用表测定。在污染测试时,膜两端电压在膜表面被污染时会急剧上升,此时的时间即是污染时间,称作转化时间。
对改性膜抗污染性能测试如图7所示。
商业原膜在抗污染实验进行到76分钟时膜表面出现污染的情况,而沉积48小时聚磺化多巴胺的改性膜的转化时间为112分钟,相较于原膜,受污染时间增长了36分钟,表明聚磺化多巴胺沉积对于提升商业原膜抗污染性能具备一定的效果。
实施例5对于自聚沉积、改性阴离子交换膜进行膜电阻测定
以实施例1中制备的多张自聚沉积不同时间的改性膜为例,置于电阻测量设备中进行测试,循环液均为0.5M NaCl溶液。
比较不同自聚沉积时间改性膜表面电阻,所得商业原膜与不同自聚沉积时间膜表面电阻如表1所示。
表1商业原膜与改性阴离子交换膜的膜电阻
商业原膜的膜电阻为1.02Ω·cm2,改性膜的电阻随聚磺化多巴胺沉积时间增加而增加,由沉积4小时的1.34Ω·cm2增加到沉积48小时的6.83Ω·cm2。
Claims (3)
1.一种带聚磺化多巴胺层的阴离子交换膜的制备方法,其特征在于,所述的方法具体按照如下步骤进行制备:
(1)以阴离子交换膜作为基膜,依次用0.2mol/L的NaOH溶液和0.2mol/L的HCl溶液进行漂洗,再用超纯水冲洗得到预处理的基膜;
(2)将盐酸多巴胺溶于无水乙醇中,缓慢加入20-30wt%的氨水和1,3-丙磺酸内酯,在在40~50℃下反应15~20小时,将所得反应混合物过滤,所得滤渣用无水乙醇冲洗后干燥,得到磺化多巴胺;所述的盐酸多巴胺与所述的1,3-丙磺酸内酯的物质的量之比为1:0.8~1.2;所述的无水乙醇的加入量以所述的盐酸多巴胺的质量计为80~140mL/g;所述的氨水的加入量以所述的盐酸多巴胺的质量计为0.35~0.45mL/g;
(3)将磺化多巴胺溶于pH为8.5~8.8的Tris缓冲溶液,得到混合溶液;所述的Tris缓冲溶液的浓度为0.01mol/L;所述的磺化多巴胺的加入量以所述的Tris缓冲溶液的体积计为0.001~0.003g/mL;
(4)将所述的预处理的基膜安装在“两膜三室”装置上的通孔处,所述的装置包括第一通气室、料液室、第二通气室、电动搅拌器和输气泵,所述的第一通气室、料液室和第二通气室通过长螺杆固接形成密封的三室结构,所述的料液室夹在所述的第一通气室和所述的第二通气室之间;所述的料液室的两侧面设有与料液室内腔连通的通孔,所述预处理的基膜为隔膜安装在所述的通孔处,所述的第一通气室、第二通气室各自通过所述预处理的基膜与料液室的内腔相连,将所述的混合溶液加入料液室后搅拌,在20~25℃下搅拌4~48小时,反应同时始终保持通气室与空气连通,使得预处理的基膜表面形成均匀的聚磺化多巴胺层,得到带聚磺化多巴胺层的阴离子交换膜。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,所述的反应温度为50℃,反应时间为18小时。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤(4)中,所述的搅拌速度为150r/min。
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