阅读说明：本技术 一种聚丙烯腈基复合疏松纳滤膜的制备方法 (Preparation method of polyacrylonitrile-based composite loose nanofiltration membrane ) 是由 王湛 王建涛 李平 郭洋洋 尹霜 于 2020-04-23 设计创作，主要内容包括：一种聚丙烯腈基复合疏松纳滤膜的制备方法,属于膜技术领域。具体方法如下：将聚丙烯腈超滤膜浸没在氢氧化钠水溶液中进行水解改性,水解完成后用去离子水冲洗并浸泡去除膜表面残留的碱；将水解后的基膜浸没在一定浓度的聚乙烯亚胺水溶液中,得到表面涂覆聚合物的复合膜；将涂敷后的膜置于一定浓度的肌醇六磷酸酯水溶液中进行磷酸化改性；将改性后的膜置于氯化铁水溶液中进行交联,然后将膜取出烘干,即得聚丙烯腈基复合疏松纳滤膜。本发明所制备的复合膜膜具有较高的渗透通量和截留率,在疏松纳滤膜膜制备方面具有较高的应用价值。(A preparation method of a polyacrylonitrile-based composite loose nanofiltration membrane belongs to the technical field of membranes. The specific method comprises the following steps: immersing a polyacrylonitrile ultrafiltration membrane in a sodium hydroxide aqueous solution for hydrolysis modification, washing with deionized water after hydrolysis is finished, and soaking to remove residual alkali on the surface of the membrane; immersing the hydrolyzed base membrane in a polyethyleneimine water solution with a certain concentration to obtain a composite membrane with the surface coated with a polymer; placing the coated film in a phytic acid phosphate aqueous solution with a certain concentration for phosphorylation modification; and (3) placing the modified membrane into a ferric chloride aqueous solution for crosslinking, and then taking out and drying the membrane to obtain the polyacrylonitrile-based composite loose nanofiltration membrane. The composite membrane prepared by the invention has higher permeation flux and rejection rate, and has higher application value in the aspect of preparation of loose nanofiltration membrane.)

一种聚丙烯腈基复合疏松纳滤膜的制备方法

技术领域

本发明涉及膜分离领域，具体为一种以聚丙烯腈为基膜的复合疏松纳滤膜的制备方法。

技术背景

随着城镇化和工业化的发展，水污染和资源短缺已经成为亟待解决的难题。尤其是印染废水中含有较高浓度的染料分子，无机盐以及添加剂，色度高且生物毒性大，如果直接排放会对生态环境造成严重的破坏。同时，染料分子化学结构稳定，生物可降解性差，通过吸附，氧化，絮凝或沉淀等传统的水处理方法会使用大量的化学试剂且出水水质差，效率低。因此需要开发更高效环保的水处理技术来解决这一难题。

纳滤(NF)技术能去除分子量大于100的有机物以及多价离子，允许小分子有机物和单价离子透过，可有效的降低废水COD、色度和硬度，环境友好，且处理过程中不使用化学试剂，具有广泛的应用前景。纳滤膜是纳滤过程的核心，商业化纳滤膜(如陶氏NF270-400)在使用过程中存在渗透通量低、易水解、抗氯性差等缺点。疏松纳滤膜(Loose-NFMs)与传统的纳滤膜相比，通量较大，操作压力低且在过滤过程中对染料分子有较高的截留率和对盐有较高的透过率，适用于印染行业的废水处理。此外，薄层复合膜(TFC)是以微孔膜或超滤膜作支撑层，在其表面覆盖致密的均质膜作选择层构成的分离膜。通过不同的方法和材料可制备不同的选择分离层，可得到高选择性、通量和稳定性的膜。制备复合纳滤膜的方法包括界面聚合法，层压法，等离子体气相沉积法，浸涂法等。其中，浸涂法具有工艺简单，制得的膜性能稳定等优点，广泛应用于纳滤膜的制备。

本发明提供了一种新型聚丙烯腈基复合疏松纳滤膜的制备方法，采用水解后的聚丙烯腈(HPAN)微滤膜为基膜，在膜表面涂敷聚乙烯亚胺(PEI)并用肌醇六磷酸酯螯合物(IP6)进行磷酸化改性，再用氯化铁(FeCl₃)对磷酸化的聚乙烯亚胺(Phos-PEI)进行交联后得到高性能的疏松纳滤复合膜。

发明内容

针对现有纳滤膜中，或存在渗透通量低、或亲水性差、或不稳定、或污染严重等问题，本发明使用简单工艺来制备截留率好和渗透通量高的复合疏松纳滤膜。

为了解决上述问题，本发明提供一种聚丙烯腈基复合疏松纳滤膜的制备方法。经过交联改性的聚乙烯亚胺(PEI)作为复合膜的选择分离层具有较高的荷电性，良好的耐酸碱性和耐氯性等性能，用它制备出的膜具有较好的亲水性和稳定的性能。本发明采用浸涂法来制备复合膜，具体来说是将聚乙烯亚胺(PEI)涂敷在水解后的聚丙烯腈(HPAN)超滤膜上，并用肌醇六磷酸酯螯合物(IP6)进行磷酸化改性，再用氯化铁(FeCl₃)对磷酸化后的聚乙烯亚胺(Phos-PEI)进行交联。制得的复合疏松纳滤膜由较薄的分离层和多孔的支撑层构成，具有良好的截留性能和抗污染性能。

本发明的具体技术方案如下：

一种聚丙烯腈基复合疏松纳滤膜的制备方法，由聚丙烯腈基膜和交联改性的聚乙烯亚胺分离层构成，其特征在于，包括如下步骤：

(1)基膜的改性

将聚丙烯腈(PAN)超滤膜浸没在NaOH水溶液如2mol/L NaOH水溶液中进行水解改性，水解温度为65±1℃，水解时间为50-60min，水解完成后多次用去离子水冲洗以去除膜表面残留的碱，直至冲洗水呈中性，即得到表面分布有羧基基团的基膜(HPAN)；

(2)涂敷

将步骤(1)的基膜浸没在1-3wt％的聚乙烯亚胺(PEI)水溶液中，放入45±1℃真空烘箱中静置30-40min后取出，用去离子水冲洗去除未反应的PEI后放入真空烘箱中烘干，得到表面涂覆聚合物的复合膜(PEI/HPAN)；

(3)磷酸化改性

将步骤(2)制得的PEI/HPAN复合膜置于0.1-0.5wt％的肌醇六磷酸酯(IP6)水溶液中浸泡3min后取出；

(4)螯合交联

将步骤(3)制得的Phos-PEI/HPAN复合膜置于氯化铁(FeCl3)水溶液中浸泡15s，然后将膜取出并放置于45±1℃真空烘箱中热处理30-50min，即得聚丙烯腈基复合疏松纳滤膜(Fe(III)-Phos-PEI/HPAN)。

进一步优选，步骤(1)中的所述的复合疏松纳滤膜中的基膜为聚丙烯腈(PAN)超滤膜，其截留分子量(MWCO)为200kDa；膜的总厚度为151μm，其中聚丙烯腈的厚度为61μm，无纺布的厚度为90μm；

进一步优选，步骤(2)中的聚乙烯亚胺(PEI)分子量优选为750,000g/mol；聚乙烯亚胺(PEI)浓度为1-3wt％，优选为1.5wt％；

进一步优选，步骤(3)中的肌醇六磷酸酯(IP6)其分子量优选为660g/mol；肌醇六磷酸酯(IP6)浓度为0.1-0.5wt％，优选为0.3wt％。

本发明的核心是利用聚乙烯亚胺长链上带有正电的伯胺和仲胺基团吸附在水解后的聚丙烯腈基膜上，利用肌醇六磷酸酯分子中带有负电的磷酸基团吸附在聚乙烯亚胺上对其进行磷酸化改性，再用氯化铁对磷酸化的聚乙烯亚胺进行交联，制备具有较高稳定性的复合疏松纳滤膜。该法制备的膜对染料分子具有较高的截留率而对盐具有较高的透过率，抗污染性能较好，可应用于印染行业中的染料脱盐及废水处理。且该制膜方法简单易行，成本低，对于复合疏松纳滤膜的开发具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的浸涂法制备聚丙烯腈基复合疏松纳滤膜的过程示意图；

图2为本发明的聚丙烯腈基复合疏松纳滤膜表面(a)及断面(b)的电子扫描电镜图；

图3为实施例1的染料废水处理离性能图；

图4为实施例1的脱盐分离性能图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。但本发明并不限于以下实施例。

其中聚丙烯腈超滤膜(PAN-UF)购自安得膜分离技术工程(北京)有限公司；氢氧化钠(NaOH)、氯化铁(FeCl₃)购自天津市福晨化学试剂厂；聚乙烯亚胺(PEI)购自日本东京化成工业株式会社；肌醇六磷酸酯(植酸，IP6)购自上海麦克林生化科技有限公司。结晶紫(CV)购自北京化工厂。

实施例1

第一步，将聚丙烯腈(PAN)超滤膜浸没在2mol/L NaOH水溶液中进行水解改性，水解温度为45±1℃，水解时间为30-40min。水解完成后多次用去离子水冲洗以去除膜表面残留的碱，直至冲洗水呈中性，即得到表面分布有羧基基团的基膜(HPAN)；

第二步，将步骤(1)的基膜浸没在3wt％的聚乙烯亚胺(PEI)水溶液中，放入45±1℃真空烘箱中静置30-40min后取出，用去离子水冲洗3次去除未反应的PEI后放入真空烘箱中烘干，得到表面涂覆聚合物的复合膜(PEI/HPAN)；

第三步，将PEI/HPAN膜置于0.3wt％的肌醇六磷酸酯(IP6)水溶液中浸泡3min，然后再置于氯化铁(FeCl₃)水溶液中浸泡15s后取出，将所得的膜放入45±1℃真空烘箱中热处理30-50min，即得聚丙烯腈基复合疏松纳滤膜(Fe(III)-Phos-PEI/HPAN)。

本实例所制备的复合疏松纳滤膜，在20±1℃，0.2MPa的100mg/L的结晶紫水溶液的截留率为92.86％，渗透通量为11.76L/m²·h。

实施例2

将实施例1中步骤二中聚乙烯亚胺(PEI)的浓度调整到1wt％，其余条件同实施例1。所制备的复合疏松纳滤膜，在20±1℃，0.2MPa的100mg/L的结晶紫水溶液的截留率为91.29％，渗透通量为15.59L/m²·h。

实施例3

将实施例1中步骤二中聚乙烯亚胺(PEI)的浓度调整到2wt％，其余条件同实施例1。所制备的复合疏松纳滤膜，在20±1℃，0.2MPa的100mg/L的结晶紫水溶液的截留率为94.44％，渗透通量为10.91L/m²·h。

实施例4

将实施例1中步骤三中肌醇六磷酸酯(IP6)的浓度调整到0.1wt％，其余条件同实施例1。所制备的复合疏松纳滤膜，在20±1℃，0.2MPa的100mg/L的结晶紫水溶液的截留率为86.74％，渗透通量为17.16L/m²·h。

实施例5

将实施例1中步骤三中肌醇六磷酸酯(IP6)的浓度调整到0.5wt％，其余条件同实施例1。所制备的复合疏松纳滤膜，在20±1℃，0.2MPa的100mg/L的结晶紫水溶液的截留率为93.41％，渗透通量为9.26L/m²·h。

对比例1

第一步，将聚丙烯腈超滤膜浸没在2mol/L NaOH水溶液中，放置于45℃的真空烘箱中30min进行水解。然后用去离子水冲洗并浸泡8h去除膜表面残留的碱，得到水解的聚丙烯腈膜(HPAN)；

第二步，将HPAN膜浸没在1.5wt％的聚乙烯亚胺(PEI)水溶液中，放入45±1℃真空烘箱中静置30-40min后取出，排出多余液体后放入真空烘箱中烘干，得到表面涂覆聚合物的复合膜(PEI/HPAN)；

本对比例为未交联改性处理的PEI/HPAN复合膜，在20±1℃，0.2MPa的100mg/L的结晶紫水溶液的截留率为32.16％，渗透通量为32.42L/m²·h。

注:

渗透通量(L/m²·h)＝V/(A×t),t(h)时间内流过膜面积为A(m²)的复合膜的纯水体积V(L)；

截留率(R，％)＝(C_f—C_p)/C_f×100％

式中C_f为原料液中100mg/L结晶紫浓度(mol/L)，C_p为透过液中结晶紫浓度(mol/L)；

对比实施例1和对比例1的分离性能可见，采用肌醇六磷酸酯(IP6)改性并用氯化铁(FeCl₃)交联后，膜的表面变得致密，孔径变小，对染料的截留率变高。对实施案例1进行分析，本发明采用浸涂法制备的聚丙烯腈基复合疏松纳滤膜表面和断面的电子扫描电镜图见图2；利用接触角测定仪和Zeta电位测定仪对膜表面的亲疏水性和荷电性进行表征见表1；用实际染料废水作为进料液的分离性能见图3，连续运行100小时后膜的COD去除率仍在90％以上，长期稳定性好；用模拟的含盐废水作为进料液的分离性能见图4(操作温度:25℃，操作压力:0.2MP，盐浓度:1.0g/L)，对盐的截留性能较差，但渗透通量大，符合普通纳滤膜对盐的截留性能，可应用于印染行业中的染料脱盐及废水处理。

表1膜表面的亲疏水性及荷电性

以上内容仅为本发明所作的举例和说明，并不用于限制本发明，凡对本发明所述的实施例所作的任何修改、替换或改进等，均属于本发明的保护范围内。