CN113230901B - 一种用于乳液分离的超双亲/液下超双疏pan复合膜、其制备方法及应用 - Google Patents

一种用于乳液分离的超双亲/液下超双疏pan复合膜、其制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于乳液分离的超双亲/液下超双疏PAN复合膜、其制备方法及应用，以聚丙烯腈PAN为基膜，通过自由基共聚合将亲水性聚合物引入基体中，随后通过在非溶剂致相分离过程中将纳米粒子原位修饰在膜表面，来协同提高膜表面的亲水性能，最终得到一种可用于高效乳液分离的超双亲/液下超双疏PAN复合膜。该PAN复合膜表面在空气中呈现超亲水/超亲油，而在液下能够表现出水下超疏油、油下超疏水的优异性能；不仅能能够分离普通分层的油水混合物，还能对乳化剂稳定的油水混合物进行高效分离。

Description

一种用于乳液分离的超双亲/液下超双疏PAN复合膜、其制备 方法及应用
技术领域
本发明属于高分子材料和功能性材料领域，具体涉及一种用于乳液分离的超双亲/液下超双疏PAN复合膜及其制备方法及其应用。
背景技术
近年来，由于工业的快速发展，加快了海洋石油的开采和运输，由此而导致的溢油事故频繁发生，严重污染了水域，危害海洋生态***。此外，工业和生活含油废水的直接排放，也会对水域造成污染，危及水生生物的生存。如何有效的处理含油污水成了解决问题的关键。传统的油水分离技术普遍存在分离效率差、能耗较高、易造成二次污染等问题，在实际运用中逐渐受到限制甚至被摒弃。因此，开发高效、经济、环保的油品回收技术和新型的油水分离材料有助于经济发展和生态环境保护，具有十分重要的意义。
膜分离法是处理含油废水的一种有效方法，表面具有特殊浸润性的膜材料能够实现对油水混合物的高效分离，并且该过程灵活简单、能耗低、环境友好，特别适用于大规模的油水分离场景。然而，当下的油水分离膜在实际应用中还存在着诸多的问题，例如一般都需要用含氟类的疏水化试剂对膜表面进行改性才能实现超浸润性能；膜材料的循环使用性能较差，几次使用后分离能力大大下降；膜材料的抗污染性能较差，使用过程中容易发生堵塞，严重影响分离通量等。本专利针对以上问题，采用聚丙烯腈作为基体材料，通过将亲水性聚合物和纳米粒子引入膜材料中，得到具有水下超疏油/油下超疏水特性的PAN复合膜材料。该膜材料能够对乳化剂稳定的水包油乳液和油包水乳液进行高效的分离，并且具有优异的循环使用性能、自清洁性能和抗污染性能，可实现对水包油和油包水乳状油水混合物的分离，具有很好的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于乳液分离的超双亲/液下超双疏PAN(聚丙烯腈)复合膜及其制备方法及应用，该方法简单可行，原料来源广泛，产品耐用性优异。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于乳液分离的超双亲/液下超双疏PAN复合膜的制备方法，以聚丙烯腈PAN为基膜，通过自由基共聚合将亲水性聚合物引入基体中，随后通过在非溶剂致相分离过程中将纳米粒子原位修饰在膜表面，来协同提高膜表面的亲水性能，最终得到一种可用于高效乳液分离的超双亲/液下超双疏PAN复合膜，其具体步骤如下：
(1)自由基共聚合将亲水性聚合物引入PAN中：将10～20克的PAN溶解于70～85克的溶剂A中，随后将3～10克的单体B加入溶液中，体系在交联剂C和引发剂D作用下，氩气或氮气保护75～85℃进行聚合反应，反应时间为8～16小时；
(2)非溶剂致相分离过程中的纳米粒子原位修饰：通过溶胶-凝胶法制备纳米粒子E，并配置1～5wt％的纳米粒子水溶液作为凝固浴；
(3)将(1)中的反应液静置脱泡，并用刮膜机均匀刮出150～300微米厚度的膜，将膜置于凝固浴中进行相转化，最终得到超双亲/液下超双疏PAN复合膜；
其中：
所述溶剂A为N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、磷酸三乙酯、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或二氯甲烷中的一种或几种；
所述单体B为丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸-2-羟基乙酯中的一种或几种；
所述交联剂C为N,N-亚甲基双丙烯酰胺、N-甲基二烯丙基胺、二乙烯基苯中的一种或几种；
所述引发剂D为偶氮二异丁腈、过氧化二酰、过硫酸钾、过硫酸铵中的一种或几种；
所述纳米粒子E为二氧化硅、二氧化钛中的一种或几种。
本发明的另一技术方案是：通过上述制备方法制得的超双亲/液下超双疏PAN复合膜。
本发明还涉及所述超双亲/液下超双疏PAN复合膜在油水混合物(包括乳液)的分离中的应用。
本发明中的超双亲/液下超双疏为并列关系，即其中的“/”代表“和”的关系。
本发明所制备的一种用于乳液分离的超双亲/液下超双疏PAN复合膜具有的积极效果：
1、表面在空气中呈现超亲水/超亲油，而在液下能够表现出水下超疏油、油下超疏水的优异性能；
2、该PAN复合膜不仅能能够分离普通分层的油水混合物，还能对乳化剂稳定的油水混合物进行高效分离；
3、耐久性能优异，可以解决单一浸润性油水分离材料无法应对复杂的油水分离环境的问题；
4、自清洁性能和抗污染性能出众，能够在多次使用后保持表面的特殊浸润性和优异的油水分离能力。
附图说明
以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明
图1是本发明的制备流程示意图，其中(a1)为原位聚合，(a2)为刮膜过程，(a3)为相转化过程，1为PAN，2为亲水性单体，3为刮膜机，4为溶剂，5为水，6为纳米粒子，7为纳米颗粒；
图2是PAN复合膜(a)–(c)表面和(d)–(f)截面的扫描电子显微镜图；
图3是PAN复合膜(a)空气中对水接触角，(b)空气中对油接触角，(c)水下油接触角和(d)油下水接触角，图中S为水，Y为油；
图4是PAN复合膜(a)水下油滴的提拉过程和(b)油下水滴的提拉过程，图中S为水，Y为油；
图5是PAN复合膜的EDX能谱图；
图6是PAN复合膜的XPS谱图。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。
实施例1：
一种用于乳液分离的超双亲/液下超双疏PAN复合膜及其制备方法，包括如下工艺步骤：
(1)自由基共聚合将亲水性聚合物引入PAN中：将10克的PAN溶解于70克的溶剂N-甲基吡咯烷酮中，随后将3克的单体丙烯酸加入溶液中，体系在交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺和引发剂偶氮二异丁腈作用下，氩气保护75℃进行聚合反应，反应时间为8小时；
(2)非溶剂致相分离过程中的纳米粒子原位修饰：通过溶胶-凝胶法制备二氧化硅纳米粒子，并配置1wt％的纳米粒子水溶液作为凝固浴。
(3)将(1)中的反应液静置脱泡，并用刮膜机均匀刮出150微米厚度的膜，将膜置于凝固浴中进行相转化，最终得到超双亲/液下超双疏PAN复合膜。
实施例2：
一种用于乳液分离的超双亲/液下超双疏PAN复合膜及其制备方法，包括如下工艺步骤：
(1)自由基共聚合将亲水性聚合物引入PAN中：将13克的PAN溶解于76克的溶剂磷酸三乙酯中，随后将5克的单体甲基丙烯酸加入溶液中，体系在交联剂N-甲基二烯丙基胺和引发剂过氧化二酰作用下，氮气保护80℃进行聚合反应，反应时间为10小时；
(2)非溶剂致相分离过程中的纳米粒子原位修饰：通过溶胶-凝胶法制备二氧化硅纳米粒子，并配置2wt％的纳米粒子水溶液作为凝固浴。
(3)将(1)中的反应液静置脱泡，并用刮膜机均匀刮出200微米厚度的膜，将膜置于凝固浴中进行相转化，最终得到超双亲/液下超双疏PAN复合膜。
实施例3：
一种用于乳液分离的超双亲/液下超双疏PAN复合膜及其制备方法，包括如下工艺步骤：
(1)自由基共聚合将亲水性聚合物引入PAN中：将16克的PAN溶解于80克的溶剂N,N-二甲基甲酰胺中，随后将7克的单体甲基丙烯酸-2-羟基乙酯加入溶液中，体系在交联剂二乙烯基苯和引发剂偶氮二异丁腈作用下，氮气保护80℃进行聚合反应，反应时间为12小时；
(2)非溶剂致相分离过程中的纳米粒子原位修饰：通过溶胶-凝胶法制备二氧化钛纳米粒子，并配置3wt％的纳米粒子水溶液作为凝固浴。
(3)将(1)中的反应液静置脱泡，并用刮膜机均匀刮出250微米厚度的膜，将膜置于凝固浴中进行相转化，最终得到超双亲/液下超双疏PAN复合膜。
实施例4：
一种用于乳液分离的超双亲/液下超双疏PAN复合膜及其制备方法，包括如下工艺步骤：
(1)自由基共聚合将亲水性聚合物引入PAN中：将20克的PAN溶解于85克的溶剂N,N-二甲基乙酰胺中，随后将10克的甲基丙烯酸加入溶液中，体系在交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺和引发剂偶氮二异丁腈作用下，氮气保护85℃进行聚合反应，反应时间为16小时；
(2)非溶剂致相分离过程中的纳米粒子原位修饰：通过溶胶-凝胶法制备二氧化钛纳米粒子，并配置5wt％的纳米粒子水溶液作为凝固浴。
(3)将(1)中的反应液静置脱泡，并用刮膜机均匀刮出300微米厚度的膜，将膜置于凝固浴中进行相转化，最终得到超双亲/液下超双疏PAN复合膜。
本发明创新性地通过在相转化过程中原位修饰将纳米粒子引入膜表面，来制备一种用于乳液分离的超双亲/液下超双疏PAN复合膜，得到的膜材料表现出水下超疏油/油下超疏水特性，能够对乳化剂稳定的水包油乳液和油包水乳液进行高效的分离，并且具有优异的自清洁性能、循环使用性能和抗污染性能。本发明所述制备方法简单可行，原料来源广泛，产品耐用性优异，为油污染的治理和水净化提供了新思路，具有很好的推广应用价值。

Claims (3)

1.一种用于乳液分离的超双亲/液下超双疏PAN复合膜的制备方法，其特征在于：以聚丙烯腈PAN为基膜，通过自由基共聚合将亲水性聚合物引入基体中，随后通过在非溶剂致相分离过程中将纳米粒子原位修饰在膜表面，来协同提高膜表面的亲水性能，最终得到一种可用于高效乳液分离的超双亲/液下超双疏PAN复合膜，其具体步骤如下：
(1)自由基共聚合将亲水性聚合物引入PAN中：将10～20克的PAN溶解于70～85克的溶剂A中，随后将3～10克的单体B加入溶液中，体系在交联剂C和引发剂D作用下，氩气或氮气保护75～85℃进行聚合反应，反应时间为8～16小时；
(2)非溶剂致相分离过程中的纳米粒子原位修饰：通过溶胶-凝胶法制备纳米粒子E，并配置1～5wt％的纳米粒子水溶液作为凝固浴；
(3)将(1)中的反应液静置脱泡，并用刮膜机均匀刮出150～300微米厚度的膜，将膜置于凝固浴中进行相转化，最终得到超双亲/液下超双疏PAN复合膜；
其中：
所述溶剂A为N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、磷酸三乙酯、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或二氯甲烷中的一种或几种；
所述单体B为丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸-2-羟基乙酯中的一种或几种；
所述交联剂C为N,N-亚甲基双丙烯酰胺、N-甲基二烯丙基胺、二乙烯基苯中的一种或几种；
所述引发剂D为偶氮二异丁腈、过氧化二酰、过硫酸钾、过硫酸铵中的一种或几种；
所述纳米粒子E为二氧化硅、二氧化钛中的一种或几种。
2.一种通过权利要求1所述制备方法制得的超双亲/液下超双疏PAN复合膜。
3.权利要求2所述超双亲/液下超双疏PAN复合膜在油水混合物的分离中的应用。
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