一種高強(qiáng)度和高水通量復(fù)合正滲透膜及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于纖維膜的技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種正滲透膜，特別涉及一種高強(qiáng)度和高水通量復(fù)合正滲透膜及其制備方法與應(yīng)用。該正滲透膜強(qiáng)度高、水通量高并且鹽截率好。
【背景技術(shù)】
[0002]正滲透膜分離技術(shù)相對(duì)于外加壓力驅(qū)動(dòng)的膜分離技術(shù)最顯著的特點(diǎn)就是不需要外加壓力或者在很低的外加壓力下運(yùn)行，具有分離效果佳，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在食品、醫(yī)藥、能源，海水淡化等領(lǐng)域有著很廣泛的應(yīng)用前景。但目前使用的正滲透膜材料強(qiáng)度不高，需要較厚的支撐層才能滿足強(qiáng)度要求，較厚的支撐層直接導(dǎo)致膜的濃差極化現(xiàn)象嚴(yán)重，水通量不高，分離效果尚不能滿足應(yīng)用要求。
[0003]Kevlar纖維是高性能連接的苯酰胺，酰胺鍵與苯環(huán)基團(tuán)形成共扼結(jié)構(gòu)，內(nèi)旋位能相當(dāng)高，大分子構(gòu)型為沿軸向伸展的剛性鏈結(jié)構(gòu)，分子排列規(guī)整，取向度和纖維結(jié)晶度高，鏈段排列規(guī)則，且存在很強(qiáng)的分子間氫鍵，這些因素共同賦予Kevlar纖維以很高的拉伸模量和強(qiáng)度。Kevlar纖維具有高比強(qiáng)度、高比模量，是目前比強(qiáng)度最高的高分子材料之一。目前正滲透膜中應(yīng)用最廣的聚砜，聚酯等支撐層材料，但是這些材料不能在支撐層厚度不高時(shí)實(shí)現(xiàn)正滲透膜高的水通量。若以Kevlar纖維作為正滲透膜的支撐層材料，是否可以降低支撐層材料的厚度，達(dá)到提高水通量的目的，這需要我們?nèi)ヌ接懞脱绣场?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種高強(qiáng)度和高水通量復(fù)合正滲透膜的制備方法。本發(fā)明將Kevlar纖維作為正滲透膜的支撐層材料，通過(guò)本發(fā)明的制備方法所制得的復(fù)合正滲透膜強(qiáng)度高、水通量高并且鹽截率好。
[0005]本發(fā)明另一目的在于提供由上述制備方法制備得到的高強(qiáng)度和高水通量復(fù)合正滲透膜。
[0006]本發(fā)明再一目的在于提供上述高強(qiáng)度和高水通量復(fù)合正滲透膜在水處理中的應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明的目的通過(guò)下述方案實(shí)現(xiàn):
[0008]一種高強(qiáng)度和高水通量復(fù)合正滲透膜的制備方法，包含以下具體步驟:
[0009](I)將Kevlar纖維溶解在有機(jī)溶劑中，加入助劑和強(qiáng)堿，加熱攪拌分散，得到Kevlar納米纖維分散體；
[0010](2)向步驟(I)中的Kevlar納米纖維分散體加入成孔劑，攪拌均勻，形成鑄膜液，
真空脫氣待用；
[0011](3)把步驟⑵中脫氣后的鑄膜液在玻璃板上刮涂成膜，蒸發(fā)溶劑，放入凝膠浴中浸泡，得到凝膠膜；
[0012](4)將步驟(3)的凝膠膜于水中浸泡，再熱處理，得到Kevlar纖維支撐層；
[0013](5)將步驟(4)制得的Kevlar纖維支撐層浸泡于間苯二胺(MPD)的水溶液中15?30min ;然后將浸泡后的Kevlar纖維支撐層撈出，浸泡于均苯三甲酰氯(TMC)的有機(jī)溶劑溶液中，反應(yīng)30?120s ;再將反應(yīng)后的Kevlar纖維支撐層撈出，晾干，熱處理，得到高強(qiáng)度和高水通量復(fù)合正滲透膜。
[0014]步驟(I)中所述Kevlar纖維與有機(jī)溶劑的質(zhì)量比為(4?16): (100?200)。
[0015]步驟(I)中所述有機(jī)溶劑為極性有機(jī)溶劑。
[0016]優(yōu)選地，所述有機(jī)溶劑為N，N- 二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亞砜(DMSO)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)和N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)中的至少一種。
[0017]步驟⑴中所述助劑為堿金屬鹽。
[0018]優(yōu)選地，所述助劑為氯化鋰和氯化鈣中的至少一種。
[0019]所述助劑的用量為有機(jī)溶劑質(zhì)量的2?2.5%。
[0020]步驟(I)中所述強(qiáng)堿為無(wú)機(jī)堿或有機(jī)堿。
[0021]優(yōu)選地，所述強(qiáng)堿為氫氧化鉀(KOH)、氫氧化鈉(NaOH)、氫化甲(KH)、氫化鈉(NaH)、二異丙基氨基鋰(LDA)、乙醇鈉、四乙基氫氧化銨和叔丁醇鉀中的至少一種。
[0022]利用強(qiáng)堿和助劑的相互作用，促進(jìn)Kevlar纖維的溶解，從而實(shí)現(xiàn)均勻薄膜的形成。
[0023]所述強(qiáng)堿的用量為Kevlar纖維質(zhì)量的0.5?3倍。
[0024]步驟(I)所述加熱攪拌分散指在25?50°C下攪拌分散2?10天。
[0025]所述鑄膜液中Kevlar纖維的濃度為2?8wt%。
[0026]步驟⑵中所述成孔劑為常用的成孔劑，指聚乙二醇、聚乙烯比咯烷酮、丙酮、氯化鋰、一水合氯化鋰、丙二醇、乙二醇甲醚、納米和微米二氧化硅中的至少一種。
[0027]優(yōu)選地，所述成孔劑指聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、氯化鋰和乙二醇甲醚中的至少一種。
[0028]在本發(fā)明中，所述聚乙二醇優(yōu)選數(shù)均分子量為200?2000的聚乙二醇。
[0029]優(yōu)選地，所述的聚乙二醇指牌號(hào)為PEG-200、PEG-400、PEG-600、PEG-1000和PEG-2000中的至少一種；所述聚乙烯吡咯烷酮優(yōu)選PVP-15和PVP-25中的至少一種。
[0030]步驟(2)中所述成孔劑的用量為Kevlar纖維質(zhì)量的5?50%。
[0031]步驟(2)中所述真空脫氣的條件為于130?200Pa下真空脫氣3?4h，優(yōu)選133Pa下真空脫氣4h。
[0032]步驟(3)中所述刮涂成膜的膜厚度為50?200um ；
[0033]所述蒸發(fā)溶劑的條件為:溫度為25?120°C，時(shí)間為I?1min ;
[0034]所述的凝膠浴的組成為乙醇/蒸餾水、甲醇/蒸餾水、二甲基亞砜(DMSO) /蒸餾水或者蒸餾水；
[0035]優(yōu)選的，所述乙醇/蒸餾水的體積比為50/50 ;所述甲醇/蒸餾水的體積比為50/50 ;所述DMSO/蒸餾水的體積比為10/90。
[0036]步驟(3)中所述放入凝膠浴中浸泡的時(shí)間為10?60min。
[0037]步驟⑷中所述凝膠膜在水中浸泡的時(shí)間8?24h，去除成孔劑；所述熱處理的條件為..溫度為40?200°C，時(shí)間為2?8h。
[0038]步驟(5)中所述間苯二胺(MPD)的水溶液的濃度為18g/L?25g/L。
[0039]步驟(5)中所述均苯三甲酰氯(TMC)的有機(jī)溶劑溶液的濃度為2g/L?5g/L ;所述有機(jī)溶劑為正己烷。
[0040]步驟(5)中所述瞭干是指在空氣中瞭干I?3min。
[0041]步驟(5)中所述熱處理是指在70?100°C下熱處理10?20min。
[0042]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0043](I)相比于現(xiàn)有技術(shù)中使用強(qiáng)腐蝕性的濃硫酸作為溶劑，本發(fā)明在制備方法上采用一種溫和的方法，即有機(jī)溶劑加助劑和強(qiáng)堿的方式，控制溶解Kevlar宏觀纖維成納米纖維分散于有機(jī)溶劑中制備成鑄膜液。
[0044](2)本發(fā)明的復(fù)合正滲透膜采用高強(qiáng)度的Kevlar作為支撐層，膜強(qiáng)度高，支撐層薄，濃差極化現(xiàn)象大大降低；
[0045](3)本發(fā)明制備的復(fù)合正滲透膜具有較高的水通量和鹽截留率。
【附圖說(shuō)明】
[0046]圖1為實(shí)施例1所制備的復(fù)合正滲透膜的SEM圖，其放大倍數(shù)為30.0K ；
[0047]圖2為實(shí)施例1所制備的復(fù)合正滲透膜的SEM圖，其放大倍數(shù)為20.0K。
【具體實(shí)施方式】
[0048]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0049]實(shí)施例1
[0050]一種高強(qiáng)度和高水通量復(fù)合正滲透膜，通過(guò)以下方法制備得到:
[0051](I)將12重量份Kevlar纖維溶解在160重量份N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，加入12重量份四乙基氫氧化銨和4重量份氯化鋰，于28°C攪拌8天，形成均一、透明黑紅色的Kevlar納米纖維分散體；
[0052](2)向步驟(I)中的Kevlar納米纖維分散體中加入6重量份PEG-400，以200rpm轉(zhuǎn)速攪拌12h形成均一的鑄膜液；將鑄膜液在133Pa下真空脫氣4h，待用；
[0053](3)將步驟⑵中脫氣后的鑄膜液用刮刀在潔凈的玻璃板上刮制50um厚的膜；于115°C蒸發(fā)溶劑5min，沉入常溫下蒸餾水的凝膠浴中15min，得到凝膠膜；
[0054](4)將凝膠膜在蒸餾水中浸泡24h，再放入真空烘箱中于100°C處理4h，得到Kevlar纖維支撐層；
[0055](5)將步驟(4)制得的Kevlar纖維支撐層浸泡于濃度為18g/L的MPD的水溶液中20min，然后將浸泡后的Kevlar纖維支撐層撈出，浸泡在濃度為5g/L的TMC的正己烷溶液中，反應(yīng)50s ;將反應(yīng)后的Kevlar纖維支撐層撈出，在空氣中晾干lmin，然后在90°C下熱處理15min，得到Kevlar纖維多孔支撐層復(fù)合正滲透膜即高強(qiáng)度和高水通量復(fù)合正滲透膜。所述正滲透膜的結(jié)構(gòu)表征如圖1?2所示。
[0056]力學(xué)性能測(cè)試:按GBT 1040.3-2006進(jìn)行測(cè)試，所述正滲透膜拉伸強(qiáng)度為130Mpa ;
[0057]過(guò)濾性能測(cè)試:純水在0.2MPa下預(yù)壓30min，然后過(guò)濾800mg/L的PEG-1000，所述復(fù)合正滲透膜的通量為52.6L/m2h，截留率為98.56%。
[0058]實(shí)施例2
[0059]一種高強(qiáng)度和高水通量復(fù)合正滲透膜，通過(guò)以下方法制備得到:
[0060](I)將15重量份Kevlar纖維溶解在200重量份N，N- 二甲基甲酰胺(DMF)中，加入15重量份氫化鉀和5重量份氯化鋰，于50°C攪拌2天，形成均一、透明黑紅色的Kevlar納米纖維分散體；
[0061](2)向步驟(I)中制備的Kevlar納米纖維分散體中加入5重量份PVP-15，以200rpm轉(zhuǎn)速攪拌12h，形成均一