CN113144903B - 一种高通量超亲水/水下超疏油Janus膜改性方法 - Google Patents
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Abstract
一种高通量超亲水/水下超疏油的Janus膜的改性方法，采用多巴胺与聚乙烯亚胺共沉积技术在疏水膜一侧表面涂覆亲水化碳纳米管，合成稳定的亲水化碳纳米管涂层，使膜的一侧保持原本特性的同时另一侧具有优异的超亲水/水下超疏油特性，增加膜通量，提高膜的抗油污染能力；其合成方法是，将碳纳米管乙醇溶液利用负压真空的方式涂覆在膜的表面，随后采用多巴胺和聚乙烯亚胺共沉积的方式将涂覆的碳纳米管稳定固定，得到的改性Janus膜孔径0.2～0.25μm，水接触角为9°，油接触角180°，具有极高的亲水性及超疏油特性。本发明方法简单高效，制得的超亲水/水下超疏油janus膜高通量，抗油污染。
Description
技术领域
本发明属于化工技术领域，具体涉及一种适用于疏水聚偏氟乙烯(PVDF)膜的高通量、超亲水性/水下超疏油性Janus膜改性技术。
背景技术
在水处理过程中，膜蒸馏是一种高效节能的新型热驱动分离工艺，在膜分离过程中可以利用太阳能、地热等多种形式的低质量热源对饲料溶液进行加热。在典型的膜分离工艺中，疏水多孔膜作为分离热料和冷料的介质，虽然不允许热液进入，但允许水蒸气通过膜孔进入。由于温度差引起膜两侧蒸气压不同，驱使水蒸气自膜的进料侧进入渗透侧PVDF聚偏氟乙烯是最常用于膜蒸馏的膜原料，具有优异的热稳定性，化学稳定性以及杰出的机械强度等。但传统的商业膜具有的疏水性在处理油类废水的时候存在着较大的问题，油滴与膜表面较强的疏水-疏水相互作用使得膜易被油等非极性污染物润湿。根据自然界鱼类等动物表面展现出来优异的抗油污染自清洁性能的启发，有必要对膜进行表面的亲水改性，提高膜的抗油污染能力。
传统对疏水膜的亲水改性方法有：模板法、层层自组装等，但都存在的改性过程复杂，亲水稳定性差，通量降低较多，易破坏膜结构等缺点。因此，本领域客观上需要开发出一种不损害膜整体性能，又能使膜的亲水性得到改善，提高通量和抗油污染性的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高通量超亲水/水下超疏油Janus膜改性方法。以解决目前膜蒸馏工艺段膜材料的疏水性质在处理油类废水时，膜表面易被油等非极性污染物润湿的问题，通过在膜一侧表面构建亲水性疏油多孔网络，使该种Janus膜可应用于油类废水处理的工艺条件，延长膜组件使用寿命。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高通量超亲水/水下超疏油Janus膜改性方法，其合成步骤包括碳纳米管前驱液制备、疏水膜预处理、碳纳米管负载、贻贝仿生法共沉积亲水改性。
其中，所述碳纳米管前驱液制备包括：将亲水碳纳米管溶于5-50ml无水乙醇溶液中，采用超声波使材料均匀分散在乙醇溶液中，处理时间60min，配置成一定浓度的碳纳米管-乙醇悬浊液；
其中，所述疏水膜预处理步骤包括：将PVDF平板膜浸没在乙醇溶液中，采用超声波方式处理10min，将负载后的膜置于80℃恒温干燥箱中干燥24h；
其中，所述碳纳米管负载步骤包括：将所述碳纳米管前驱液制备步骤中所得到的碳纳米管-乙醇悬浊液采用真空负压泵负载在所述疏水膜预处理步骤所得到的干燥膜产物之上；
进一步的，负压真空泵提供的负载真空度为0.05-0.10Mpa；
进一步的，负载沉积温度为10～40℃；
进一步的，负载沉积时间为60～240min；
进一步的，负压过程中溶液搅拌转子转速为100-400r/min；
进一步的，真空负载后的膜产物置于60℃恒温干燥箱中干燥6h；
其中，所述贻贝仿生法共沉积亲水改性步骤包括：选取适宜浓度的多巴胺及聚乙烯亚胺，配制特定比例的tris溶液，将所述碳纳米管负载干燥后的膜产物浸于所述tris溶液中进行搅拌，使负载了碳纳米管涂层的膜侧与该tris溶液产生共沉积效应，形成超亲水疏油性的多孔网络结构，该亲水涂层具有微纳结构的粗糙度，其增加通量和抗油污染效果显著且性能优良；
进一步的，所述多巴胺及聚乙烯亚胺溶液的浓度分别为2mg/L和6mg/L；
进一步的，该步骤的反应温度为常温25℃；
进一步的，共沉积过程中溶液搅拌转子转速为400r/min；
进一步的，共沉积反应时间为6-24h；
进一步的，反应后的膜产物放于60℃真空干燥箱干燥。
其中，本发明所述的“疏水膜”是聚偏氟乙烯膜，本发明同样适用于聚四氟乙烯、聚丙烯等疏水膜的改性。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)亲水性涂层原料的选择为碳纳米管材料，该材料具有极强的亲水性及化学活性，表面含氧活性官能团较多，粒径较小，可在疏水膜表面构成超亲水性薄层涂层的同时，不造成膜材料的通量下降。
(2)由于膜组件使用工况不同，该种碳纳米管共沉积亲水涂层的厚度可根据水质水量的具体情况进行调整，通过改变碳纳米管分散液负载用量，可以轻易控制亲水涂层的厚度。
(3)采用碳纳米管作为共沉积前驱物，所形成的亲水涂层具有微纳结构的粗糙度，其增加通量和抗油污染效果显著且性能优良，且适量的亲水涂层可有效提高PVDF膜的韧性。
(4)聚多巴胺与PVDF膜基体之间具有强粘合作用，在膜表面经过多巴胺自聚组装行为共沉积技术合成的亲水涂层对液体的亲和性与表面能均有所提高。
(5)利用Janus膜进行膜蒸馏技术工艺时，可以有效降低涉及两相界面的膜过程的能耗。
(6)本发明的制膜方法简单，易于操作和控制，只需控制原料用量、搅拌速率、反应时间及干燥温度等条件，无需其他特殊设备，反应流程短，成本低，易于大规模生产及产业化。
附图说明
图1为未处理PVDF膜扫描电镜图。
图2为根据本发明实例1的处理后的PVDF膜扫描电镜图。
图3为根据本发明实例2的处理后的PVDF膜扫描电镜图。
图4为根据本发明实例3的处理后的PVDF膜扫描电镜图。
图5为实例1、2、3处理后Janus膜表面亲水接触角和水下油接触角图。
图6为原PVDF膜孔径分布图。
图7为实例2处理后Janus膜孔径分布图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的说明
本发明针对现有疏水膜在膜蒸馏领域的存在的问题，提出了采用贻贝仿生法制备超亲水/水下超疏油Janus膜的改性方法，本发明首先使用真空压力将亲水碳纳米管涂覆在疏水膜表面，随后采用多巴胺与聚乙烯亚胺共沉积的方式有效粘合在膜的表面，具体包括以下合成步骤：
S1.碳纳米管前驱液制备过程，包括将亲水碳纳米管溶于5-50ml无水乙醇溶液中，采用超声波使材料均匀分散在乙醇溶液中，处理时间60min，配置成一定浓度的碳纳米管-乙醇悬浊液，涂层厚度由悬浊液用量多少来控制；
S2.疏水膜预处理过程，包括将PVDF平板膜浸没在乙醇溶液中，采用超声波方式处理10min，将负载后的膜置于80℃恒温干燥箱中干燥24h；
S3.碳纳米管负载过程：采用真空泵将一定量的S1中配制的碳纳米管-乙醇悬浊液，在真空度为0.05-0.10MPa的负压环境下，负载在S2的PVDF平板膜之上，沉积温度为10～40℃，沉积时间60～240min，转子转速为100-400r/min，后置于60℃恒温干燥箱中干燥6h；
S4.贻贝仿生法共沉积亲水改性过程：选取2mg/L多巴胺溶液及6mg/L聚乙烯亚胺溶液加入tris 8.5溶液中，在恒温25℃环境下将S3的膜材料浸入溶液中进行搅拌，磁力搅拌转速为400r/min，共沉积时间为6-24h，在膜表面形成多孔亲水网络，随后将膜材料放于60℃真空干燥箱干燥。
下面通过一些具体实施例来进一步阐述本发明。
实施例1
S1.将亲水碳纳米管溶于5ml无水乙醇溶液中，超声处理60min使材料均匀分散，配置成一定浓度的碳纳米管-乙醇悬浊液；
S2.将PVDF平板膜浸没在乙醇溶液中，采用超声波方式处理10min，将负载后的膜置于80℃恒温干燥箱中干燥24h；
S3.采用真空泵将5mL的S1配制的碳纳米管-乙醇悬浊液，在真空度为0.05-0.10MPa的负压环境下，负载在S2的PVDF平板膜之上，沉积温度为25℃，沉积时间60min，转子转速为400r/min，后置于60℃恒温干燥箱中干燥6h；
S4.恒温25℃环境下将S3的膜材料浸入2mg/L多巴胺溶液及6mg/L聚乙烯亚胺溶液的tris 8.5溶液中，400r/min共沉积6h，并在60℃真空干燥箱干燥。请参阅图2，本发明实施例1所合成的上述方法超亲水/水下超疏油Janus膜，扫描电子显微镜图显示多巴胺沉积后，碳纳米管表面沉积一层仿生胶，同时具有一定的微纳结构，优异的微纳结构进一步提高了亲水性。
实施例2
S1.将亲水碳纳米管溶于5ml无水乙醇溶液中，超声处理60min使材料均匀分散，配置成一定浓度的碳纳米管-乙醇悬浊液；
S2.将PVDF平板膜浸没在乙醇溶液中，采用超声波方式处理10min，将负载后的膜置于80℃恒温干燥箱中干燥24h；
S3.采用真空泵将5mL的S1配制的碳纳米管-乙醇悬浊液，在真空度为0.05-0.10MPa的负压环境下，负载在S2的PVDF平板膜之上，沉积温度为25℃，沉积时间60min，转子转速为400r/min，后置于60℃恒温干燥箱中干燥6h；
S4.恒温25℃环境下将S3的膜材料浸入2mg/L多巴胺溶液及6mg/L聚乙烯亚胺溶液的tris 8.5溶液中，400r/min共沉积12h，并在60℃真空干燥箱干燥。
请参阅图3，本发明实施例2所合成的上述方法超亲水/水下超疏油Janus膜，扫描电子显微镜图显示多巴胺沉积后，碳纳米管表面沉积一层仿生胶，同时具有一定的微纳结构，优异的微纳结构进一步提高了亲水性。
实施例3
S1.将亲水碳纳米管溶于5ml无水乙醇溶液中，超声处理60min使材料均匀分散，配置成一定浓度的碳纳米管-乙醇悬浊液；
S2.将PVDF平板膜浸没在乙醇溶液中，采用超声波方式处理10min，将负载后的膜置于80℃恒温干燥箱中干燥24h；
S3.采用真空泵将5mL的S1配制的碳纳米管-乙醇悬浊液，在真空度为0.05-0.10MPa的负压环境下，负载在S2的PVDF平板膜之上，沉积温度为25℃，沉积时间60min，转子转速为400r/min，后置于60℃恒温干燥箱中干燥6h；
S4.恒温25℃环境下将S3的膜材料浸入2mg/L多巴胺溶液及6mg/L聚乙烯亚胺溶液的tris 8.5溶液中，400r/min共沉积24h，并在60℃真空干燥箱干燥。请参阅图4，本发明实施例3所合成的上述方法超亲水/水下超疏油Janus膜，扫描电子显微镜图显示多巴胺沉积后，碳纳米管表面沉积一层仿生胶，同时具有一定的微纳结构，按本方法处理后聚四氟乙烯膜表面由疏水变成超疏水，具有杰出的抗污染效果。
结合三种实施例所合成Janus膜可知，多巴胺沉积时间对碳纳米管表面的微纳结构有一定的影响，实施例3中所合成的Janus膜表面结构与实施例2所合成的膜相比，负载量没有显著增加，且性能有所下降，说明在实施例2中验证的负载时间12小时较为合适，大量亲水性碳纳米管多孔网络的负载形成，有效提高了Janus膜一侧的亲水性及疏油性；
请参阅图5，本发明实施例2中的Janus膜水接触角为9°，说明经过改性后的Janus膜亲水性较好，水下油动态接触角为180°，在油滴与膜面逐渐接触并离开的动态过程中，该改性膜表示出与油滴间超低的粘附力和优质的超疏油特性；
请参阅图6和图7，本发明所合成的Janus膜能将疏水膜上的孔径从0.35～0.5μm降低到0.2～0.25μm，可有效提高Janus膜的分离效率，提高通量。
综上所述，本发明是一种基于碳纳米管的多巴胺与聚乙烯亚胺共沉积改性方法，在膜表面涂覆碳纳米管，随后进行多巴胺与聚乙烯亚胺的共沉积，改性成功的Janus膜具有优异的通量及亲水性，抗油污染性能强。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种高通量超亲水/水下超疏油Janus膜的改性方法，其特征在于，通过负压真空方式将碳纳米管涂覆在疏水聚偏氟乙烯PVDF膜表面，随后利用多巴胺与聚乙烯亚胺共沉积作用所形成的生物胶将亲水碳纳米管固定在膜表面，构筑形成多孔、高通量超亲水/水下超疏油改性的Janus网络膜中；
所述的疏水膜的高通量超亲水/水下超疏油Janus膜的改性方法，包括以下步骤：
S1.碳纳米管前驱液制备过程，包括将亲水碳纳米管溶于5-50ml无水乙醇溶液中，采用超声波使材料均匀分散在乙醇溶液中，处理时间60min，配置成一定浓度的碳纳米管-乙醇悬浊液，涂层厚度由悬浊液用量多少来控制；
S2.疏水膜预处理过程，包括将PVDF平板膜浸没在乙醇溶液中，采用超声波方式处理10min，随后置于80℃恒温干燥箱中干燥24h；
S3.碳纳米管负载过程：采用真空泵将一定量的S1中配制的碳纳米管-乙醇悬浊液，在真空度为0.05-0.10MPa的负压环境下，负载在S2的PVDF平板膜之上，沉积温度为10～40℃，沉积时间60～240min，转子转速为100-400r/min，后置于60℃恒温干燥箱中干燥6h；
S4.贻贝仿生法共沉积亲水改性过程：选取2mg/L多巴胺溶液及6mg/L聚乙烯亚胺溶液加入tris 8.5溶液中，在恒温25℃环境下将S3的膜材料浸入溶液中进行搅拌，磁力搅拌转速为400r/min，共沉积时间为6-24h，在膜表面形成多孔亲水网络，随后将膜材料放于60℃真空干燥箱干燥。
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