CN108404691A - 一种温度和ph双敏感型超滤膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于膜分离技术领域,具体涉及一种温度和PH双敏感型超滤膜的制备方法。本发明将N‑异丙基丙烯酰胺、丙烯酸与氧化石墨烯一起聚合后引入超滤膜中,所制备的超滤膜在30℃、PH=4附近具有环境响应性,会发生分子间运动而造成部分污染物清除,可通过调整水温或pH值来清洗膜表面,将会大大降低超滤膜的加药清洗频率,进一步降低氧化石墨烯的亲水性流失,因此是一种抗污染能力更持久,降低氧化石墨烯亲水性流失的超滤膜,具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于膜分离技术领域,特别是指一种温度和PH双敏感型超滤膜的制备方法。
背景技术
由于水资源日趋恶化,膜技术越来越受到人们的关注,水处理方面主要使用的膜技术包括微滤、超滤、纳滤、反渗透以及近来热门的正渗透技术。其中超滤膜绝大部分是采用高分子聚合物制备,主要以中空纤维膜及复合薄膜等形式应用在实际工程中。这类以压力作为驱动力的膜在实际应用中仍存在不少缺陷,例如膜的强度低、抗污染能力差、寿命不够长等。
氧化石墨烯(GO)是一种由单层碳原子构成的呈蜂窝状的二维平面薄膜,它的化学成分主要是由碳原子和极性含氧官能团组成。GO一维结构中,石墨烯片层与片层间通过大量含氧基团形成的氢键相连,而GO二维平面结构中片层间以较强共价键相连,这种结构使其具有极强的亲水性,因而在水溶液中具有较好的稳定性和分散性,能够形成分散均匀的胶体溶液,也能与水溶性聚合物具有良好的兼容性。GO的独特结构兼具了胶体、薄膜、聚合物以及两性分子的特性,使其具有大的比表面积、独特的热力学和机械性质、较强的导电能力和化学修饰能力,成为膜分离领域的研究热点。
目前已有的报道中将富含含氧官能团和具有高比表面积的氧化石墨烯引入铸膜液或凝胶浴进行改性,以有效增强膜的强度及亲水性,如专利CN201410383815、专利CN201210162145等。虽然将氧化石墨烯引入可以使聚合物分离膜的渗透通量提高,强度及抗污染能力得到较大改善,但是其在使用及清洗过程中亲水性的流失严重,尤其是加药的清洗会逐步降低其抗污染能力,使膜产品的使用寿命有所降低。因此,需求一种抗污染能力更持久,降低氧化石墨烯亲水性流失的超滤膜变得尤为重要。
本发明提供了一种能有效降低氧化石墨烯亲水性流失的温度和PH双敏感型超滤膜的制备方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了一种能有效降低氧化石墨烯亲水性流失的温度和PH双敏感型超滤膜的制备方法。
本发明中的制备方法是通过以下步骤来实现的:
一、将0.1-0.2g氧化石墨烯,200-400ml去离子水加入到1000ml的三口烧瓶中,搅拌超声40-80分钟,在混合物中加入0.8-1.6g硼氢化钠,75-85℃油浴24小时,得到黑色溶液;将2-8g的异丙基丙烯酰胺、0.6-10g丙烯酸、0.1-0.4g 亚甲基双丙烯酰胺和50ml去离子水加入烧瓶,搅拌30分钟,再用干燥的氮气净化30分钟移除氧气,然后通过滴液漏斗加入100ml质量分数为1%-2%的过硫酸铵水溶液,置于65-75℃恒温油浴中搅拌,48小时后,把混合物冷却至室温,用200ml去离子水稀释,超声1小时,离心分离收集黑色的产品,40-50℃干燥真空干燥24小时即得产物;
二、将步骤(一)中制得的黑色产物、高分子膜材料、二甲基甲酰胺、添加剂混合,在50-85℃下搅拌加热溶解后,抽真空静置脱泡即得铸膜液;
三、将铸膜液经制膜机制膜,在空气中暴露2-60秒后浸入凝固浴中定型,最后放入去离子水中浸泡即得温度和PH双敏感型氧化石墨烯复合超滤膜。
作为优选,所述步骤(一)中黑色产物的分子量为4000-100000。
作为优选,所述步骤(一)中黑色产物具有温度和PH双敏感性,在低于25℃或者PH高于4时分子链开始膨胀,在高于25℃或者PH低于4时分子链开始收缩。
作为优选,所述的高分子膜材料包括聚砜、聚氯乙烯或聚丙烯的一种或几种。
作为优选,所述添加剂为异丙醇、氯化锂、二甘醇和丙二醇中的一种或多种。
其中步骤(二)中黑色产物、高分子膜材料、二甲基甲酰胺、添加剂的质量比为(0.1~5):(10-18):(64~86.9):(3~13)
作为优选,所述的制膜机包括平板刮膜机及中空纤维膜纺丝机。
本发明的显著优点在于:
本发明将N-异丙基丙烯酰胺、丙烯酸与氧化石墨烯一起聚合后引入超滤膜中,聚合物与超滤膜的相容性比氧化石墨烯更好,不易流失;同时,所制备的超滤膜在30℃、PH=4附近具有环境响应性,会发生分子间运动而造成部分污染物清除,可通过调整水温或pH值来清洗膜表面,将会大大降低超滤膜的加药清洗频率,进一步降低氧化石墨烯的亲水性流失。
附图说明
图1为实施例1制备膜的截面扫描电子显微镜照片。
图2为实施例1制备膜的的表面扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
实施例1
1)将0.125g氧化石墨烯,250ml去离子水加入到500ml的三口烧瓶中,搅拌超声60分钟,在混合物中加入1.0g硼氢化钠,80℃油浴24小时,得到黑色溶液;将6g的异丙基丙烯酰胺、0.6g丙烯酸、 0.1g亚甲基双丙烯酰胺和50ml去离子水加入烧瓶,搅拌30分钟,再用干燥的氮气净化30分钟移除氧气,然后通过滴液漏斗加入100ml质量分数为1%的过硫酸铵水溶液,置于65℃恒温油浴中搅拌,48小时后,把混合物冷却至室温,用200ml去离子水稀释,超声1小时,离心分离收集黑色的产品,40℃干燥真空干燥24小时即得产物;
2)将5g分子量为50000的1)中产物、140g聚丙烯、715g二甲基甲酰胺、4g丙二醇混合,在50℃下搅拌加热溶解后,抽真空静置脱泡即得铸膜液;
3)将铸膜液经平板刮膜机制膜,在空气中暴露10秒后浸入凝固浴中定型,最后放入去离子水中浸泡即得温度和PH双敏感型超滤膜。
测试该超滤膜的20℃和50℃下的水接触角分别为67°和56°;0.1MPa、1g/L的蛋白质水溶液通量衰减率为54.9%,截留率为92.6%,变温水清洗恢复率为94.8%,变pH值清洗恢复率为80.3%。
实施例2
1)将0.1g氧化石墨烯,200ml去离子水加入到500ml的三口烧瓶中,搅拌超声40分钟,在混合物中加入0.8g硼氢化钠,75℃油浴24小时,得到黑色溶液;将2g异丙基丙烯酰胺、10g丙烯酸、 0.4g亚甲基双丙烯酰胺和50ml去离子水加入烧瓶,搅拌30分钟,再用干燥的氮气净化30分钟移除氧气,然后通过滴液漏斗加入100ml质量分数为1%的过硫酸铵水溶液,置于70℃恒温油浴中搅拌,48小时后,把混合物冷却至室温,用200ml去离子水稀释,超声1小时,离心分离收集黑色的产品,50℃干燥真空干燥24小时即得产物;
2)将1g分子量为100000的1)中产物、100g聚砜、859g二甲基甲酰胺、3g异丙醇混合,在85℃下搅拌加热溶解后,抽真空静置脱泡即得铸膜液;
3)将铸膜液经平板刮膜机制膜,在空气中暴露60秒后浸入凝固浴中定型,最后放入去离子水中浸泡即得温度和PH双敏感型超滤膜。
测试该超滤膜的20℃和50℃下的水接触角分别为62°和49°;0.1MPa、1g/L的蛋白质水溶液通量衰减率为40.9%,,截留率为90.7%,变温水清洗恢复率为91.2%,变pH值清洗恢复率为82.4%。
实施例3
1)将0.2g氧化石墨烯,400ml去离子水加入到1000ml的三口烧瓶中,搅拌超声80分钟,在混合物中加入1.6g硼氢化钠,85℃油浴24小时,得到黑色溶液;4g异丙基丙烯酰胺、4g丙烯酸、 0.3g亚甲基双丙烯酰胺和50ml去离子水加入烧瓶,搅拌30分钟,再用干燥的氮气净化30分钟移除氧气,然后通过滴液漏斗加入100ml质量分数为2%的过硫酸铵水溶液,置于75℃恒温油浴中搅拌,48小时后,把混合物冷却至室温,用200ml去离子水稀释,超声1小时,离心分离收集黑色的产品,45℃干燥真空干燥24小时即得产物;
2)将5g分子量为4000的1)中产物、140g聚氯乙烯、715g二甲基甲酰胺、13g异丙醇混合,在75℃下搅拌加热溶解后,抽真空静置脱泡即得铸膜液;
3)将铸膜液经中空纤维膜纺丝机制膜,在空气中暴露2秒后浸入凝固浴中定型,最后放入去离子水中浸泡即得温度和PH双敏感型超滤膜。
测试该超滤膜的20℃和50℃下的水接触角分别为66°和51°;0.1MPa、1g/L的蛋白质水溶液通量衰减率为44.9%,,截留率为87.9%,变温水清洗恢复率为89.7%,变pH值清洗恢复率为81.6%。
实施例4
1)将0.15g氧化石墨烯,300ml去离子水加入到500ml的三口烧瓶中,搅拌超声60分钟,在混合物中加入1.0g硼氢化钠,75℃油浴24小时,得到黑色溶液;将4g异丙基丙烯酰胺、3g丙烯酸、 0.4g亚甲基双丙烯酰胺和50ml去离子水加入烧瓶,搅拌30分钟,再用干燥的氮气净化30分钟移除氧气,然后通过滴液漏斗加入100ml质量分数为1.5%的过硫酸铵水溶液,置于65℃恒温油浴中搅拌,48小时后,把混合物冷却至室温,用200ml去离子水稀释,超声1小时,离心分离收集黑色的产品,40℃干燥真空干燥24小时即得产物;
2)将将3g分子量为80000的1)中产物、18g聚氯乙烯、69g二甲基甲酰胺、10g氯化锂混合,在80℃下搅拌加热溶解后,抽真空静置脱泡即得铸膜液;
3)将铸膜液经中空纤维膜纺丝机制膜,在空气中暴露30秒后浸入凝固浴中定型,最后放入去离子水中浸泡即得温度和PH双敏感型超滤膜。
测试该超滤膜的20℃和50℃下的水接触角分别为70°和62°;0.1MPa、1g/L的蛋白质水溶液通量衰减率为39.6%,,截留率为97.2%,变温水清洗恢复率为93.5%,变pH值清洗恢复率为78.1%。
实施例5
1)将0.125g氧化石墨烯,250ml去离子水加入到500ml的三口烧瓶中,搅拌超声60分钟,在混合物中加入1.0g硼氢化钠,80℃油浴24小时,得到黑色溶液;将3g异丙基丙烯酰胺、5g丙烯酸、 0.3g亚甲基双丙烯酰胺和50ml去离子水加入烧瓶,搅拌30分钟,再用干燥的氮气净化30分钟移除氧气,然后通过滴液漏斗加入100ml质量分数为1%的过硫酸铵水溶液,置于65℃恒温油浴中搅拌,48小时后,把混合物冷却至室温,用200ml去离子水稀释,超声1小时,离心分离收集黑色的产品,40℃干燥真空干燥24小时即得产物;
2)将1g分子量为40000的1)中产物、16g聚丙烯、73g二甲基甲酰胺、10g二甘醇混合,在50-85℃下搅拌加热溶解后,抽真空静置脱泡即得铸膜液;
3)将铸膜液经中空纤维膜纺丝机制膜,在空气中暴露10秒后浸入凝固浴中定型,最后放入去离子水中浸泡即得温度和PH双敏感型超滤膜。
测试该超滤膜的20℃和50℃下的水接触角分别为61°和49°;0.1MPa、1g/L的蛋白质水溶液通量衰减率为31.4%,,截留率为95.7%,变温水清洗恢复率为97.5%,变pH值清洗恢复率为74.3%。
比较例
1)将140g聚砜、716g二甲基甲酰胺、4g丙二醇混合,在50℃下搅拌加热溶解后,抽真空静置脱泡即得铸膜液;
2)将铸膜液经平板刮膜机制膜,在空气中暴露10秒后浸入凝固浴中定型,最后放入去离子水中浸泡即得温度和PH双敏感型超滤膜。
测试该超滤膜的20℃和50℃下的水接触角分别为78°和73°;0.1MPa、1g/L的蛋白质水溶液通量衰减率为68.5%,,截留率为90.0%,变温水清洗恢复率为33.7%,变pH值清洗恢复率为41.6%。
可以看出,实施例1-5中的超滤膜水接触角更低,亲水性更好,蛋白质水溶液通量衰减率更低,经过变温水及变pH值清洗后水通量恢复效果有明显提升。
Claims (7)
1.一种温度和PH双敏感型超滤膜的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)将0.1-0.2g氧化石墨烯,200-400ml去离子水加入到1000ml的三口烧瓶中,搅拌超声40-80分钟,在混合物中加入0.8-1.6g硼氢化钠,75-85℃油浴24小时,得到黑色溶液;将2-8g的异丙基丙烯酰胺、0.6-10g丙烯酸、0.1-0.4g 亚甲基双丙烯酰胺和50ml去离子水加入烧瓶,搅拌30分钟,再用干燥的氮气净化30分钟移除氧气,然后通过滴液漏斗加入100ml质量分数为1%-2%的过硫酸铵水溶液,置于65-75℃恒温油浴中搅拌,48小时后,把混合物冷却至室温,用200ml去离子水稀释,超声1小时,离心分离收集黑色的产品,40-50℃干燥真空干燥24小时即得产物;
2)将1)中制得的黑色产物、高分子膜材料、二甲基甲酰胺、添加剂混合,在50-85℃下搅拌加热溶解后,抽真空静置脱泡即得铸膜液;
3)将铸膜液经制膜机制膜,在空气中暴露2-60秒后浸入凝固浴中定型,最后放入去离子水中浸泡即得温度和PH双敏感型超滤膜。
2.根据权利要求1所述的一种温度和PH双敏感型超滤膜的制备方法,其特征在于,所述的步骤1)中黑色产物的分子量为4000-100000。
3.根据权利要求1所述的一种温度和PH双敏感型超滤膜的制备方法,其特征在于,所述的步骤1)中黑色产物具有温度和PH双敏感性,在低于30℃或者PH高于4时分子链开始膨胀,在高于30℃或者PH低于4时分子链开始收缩。
4.根据权利要求1所述的一种温度和PH双敏感型超滤膜的制备方法,其特征在于,所述的高分子膜材料包括聚砜、聚氯乙烯或聚丙烯的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种温度和PH双敏感型超滤膜的制备方法,其特征在于,所述添加剂为异丙醇、氯化锂、二甘醇和丙二醇中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种温度和PH双敏感型超滤膜的制备方法,其特征在于,步骤(2)中黑色产物、高分子膜材料、二甲基甲酰胺、添加剂的质量比为(0.1~5):(10~18) :(64~86.9):(3~13)。
7.根据权利要求1所述的一种温度和PH双敏感型超滤膜的制备方法,其特征在于,所述的制膜机包括平板刮膜机及中空纤维膜纺丝机。
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180817 |