一種碳納米纖維層對(duì)超濾膜改性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳納米纖維層對(duì)超濾膜改性的方法，屬于環(huán)保水處理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]膜技術(shù)在環(huán)保水處理領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，逐步成為世界可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基礎(chǔ)之一，在解決全球能源資源和環(huán)境等重大問(wèn)題中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，膜技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的新技術(shù)之一，然而，膜污染依舊是阻礙膜技術(shù)推廣應(yīng)用的主要障礙。早期為了降低膜污染主要采取的方法是對(duì)污水進(jìn)行一個(gè)預(yù)處理過(guò)程以減少膜污染，最主要也是最傳統(tǒng)的預(yù)處理過(guò)程是化學(xué)混凝。除此之外，還有對(duì)膜進(jìn)行超聲、反洗、電絮凝、電混凝等預(yù)處理的方法。超聲只能將膜表面吸附的一些物質(zhì)去掉，而無(wú)法將膜孔中吸附的污染物顆粒去除；反洗有著比超聲更好的去除效率，可以去除膜孔中吸附的顆粒，而化學(xué)絮凝、電絮凝和電混凝這些方法雖然可以在一定程度上降低膜污染，但是加入的化學(xué)試劑都會(huì)引起膜污染，而預(yù)沉積處理可以將化學(xué)試劑引起的膜污染降到最低，而且預(yù)沉積層易于去除，不僅可以提高有機(jī)物的去除效率，還可以降低膜通量的衰減。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的在超濾膜水處理中的不足，提出了一種碳納米纖維層對(duì)超濾膜改性的方法，碳納米纖維用于截留和吸附水中的污染物，以最大限度的減少膜表面污染的改性超濾膜的水處理方法。
[0004]—種碳納米纖維層對(duì)超濾膜改性的方法，具體步驟如下所述:將碳纖維預(yù)處理得到類顆粒狀碳纖維;再將預(yù)處理后的類顆粒狀碳纖維在溶劑中超聲充分分散攪拌，恒壓條件下，將分散均勻的碳納米纖維預(yù)沉積在超濾膜表面。
[0005]所述溶劑為溶劑為水、乙醇或N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的一種或多種。
[0006]所述碳纖維預(yù)處理過(guò)程為:將碳纖維源浸泡、冷凍干燥，惰性氣氛中高溫煅燒，在煅燒后的纖維中加入溶劑，研磨，然后在溶劑中超聲充分分散攪拌，得到預(yù)處理后的類顆粒狀碳纖維。
[0007]優(yōu)選地，所述的碳纖維為細(xì)菌纖維素(BC)、絲瓜絡(luò)等植物纖維中的一種或多種。
[0008]優(yōu)選地，所述的碳纖維浸泡時(shí)間為I天-14天。
[0009 ] 優(yōu)選地，所述的碳纖維冷凍干燥的時(shí)間48h_96h。
[0010]優(yōu)選地，所述的碳纖維高溫煅燒的溫度為800-1000度。
[0011]優(yōu)選地，所述的碳纖維高溫煅燒的時(shí)間為24_48h。
[0012]優(yōu)選地，所述的碳纖維的研磨時(shí)間為5-30min。
[0013]優(yōu)選地，所述的碳纖維在恒壓下預(yù)沉積，這里的恒壓為0.05-0.2MPa。
[0014]優(yōu)選地，所述的碳纖維的負(fù)載量為3g/m2-96g/m2(相對(duì)于超濾膜的有效使用面積)。
[0015]改性后的超濾膜，經(jīng)清洗、再負(fù)載顆粒能夠反復(fù)使用。
[0016]有益效果
[0017]I)、超濾膜表面預(yù)沉積的碳納米纖維相當(dāng)于一個(gè)簡(jiǎn)易的膜層，優(yōu)先吸附污染物，減少膜污染。
[0018]2)、超濾膜表面預(yù)沉積的碳納米纖維源豐富，大大降低操作成本。
[0019]3)、超濾膜表面預(yù)沉積的碳納米纖維與超濾膜是物理沉積，待反應(yīng)后，用塑料刮片將其輕輕刮掉再用去離子水洗即可將其完全除去。
[0020]4)、本發(fā)明方法操作簡(jiǎn)單，成本低廉，且易于規(guī)?；褂煤屯茝V。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1、實(shí)施案例一中在聚偏氟乙烯超濾膜表面預(yù)沉積負(fù)載量為24g/m2的細(xì)菌纖維素對(duì)有機(jī)物牛血清蛋白(BSA)溶液的吸附通量衰減圖。
[0022]圖2、實(shí)施案例二中在聚偏氟乙烯超濾膜表面預(yù)沉積負(fù)載量為24g/m2的細(xì)菌纖維素對(duì)有機(jī)物海藻酸鈉(SA)溶液的吸附通量衰減圖。
[0023]圖3、實(shí)施案例三中在聚偏氟乙烯超濾膜表面預(yù)沉積負(fù)載量為12g/m2的由乙醇和N-甲基吡咯烷酮改性的細(xì)菌纖維素對(duì)有機(jī)物牛血清蛋白(BSA)溶液的吸附通量衰減圖。
[0024]圖4、實(shí)施案例四中在聚偏氟乙烯超濾膜表面預(yù)沉積負(fù)載量為12g/m2的由乙醇和N-甲基吡咯烷酮改性的細(xì)菌纖維素對(duì)有機(jī)物海藻酸鈉(SA)溶液的吸附通量衰減圖。
[0025]圖5、氣凝膠細(xì)菌纖維素和煅燒后細(xì)菌纖維素的掃描電子顯微鏡圖(SEM)。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖與實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明方法做進(jìn)一步說(shuō)明。應(yīng)理解，這些案例僅限于說(shuō)明本發(fā)明方法，而不用于限制本發(fā)明的使用范圍。
[0027]實(shí)施案例一
[0028]I)、將水凝膠狀的細(xì)菌纖維素切成塊狀(約1*2*1.5cm3)，在去離子水中浸泡兩天，冷凍干燥48h成氣凝膠狀，在氬氣氣氛中950度高溫煅燒24h，然后稱取負(fù)載量為24g/m2煅燒后的細(xì)菌纖維素滴加少量去離子水潤(rùn)濕，研磨15min，超聲分散5min，在50ml去離子水中磁力攪拌lOmin，在恒壓0.1MPa條件下，將分散均勻的細(xì)菌纖維素預(yù)沉積到偏聚氟乙烯超濾膜表面。
[0029]2)、在300毫升去離子水中加入3毫升0.5M的碳酸氫鈉溶液，然后加入I毫升的3g/L的BSA儲(chǔ)備液，用0.1M的鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH為7 ±0.1，將該BSA溶液用上述步驟I)中預(yù)沉積了24g/m2細(xì)菌纖維素的聚偏氟乙烯超濾膜超濾，用電子天平連接數(shù)據(jù)接收器采集數(shù)據(jù)，膜通量的變化如圖1所示。經(jīng)過(guò)300毫升水實(shí)驗(yàn)后可以保持75%的膜通量，重復(fù)上述步驟兩次，相比于第一次，第二次和第三次的膜初始通量恢復(fù)可以達(dá)到90.47%和85.49%，最后的膜通量仍然能夠保持在70%和63%左右。表面該碳納米纖維大大減少了蛋白對(duì)膜的污染。
[0030]實(shí)施案例二
[0031]1)、將水凝膠狀的細(xì)菌纖維素切成塊狀(約1*2*1.5cm3)，在去離子水中浸泡兩天，冷凍干燥48h成氣凝膠狀，在氬氣氣氛中950度高溫煅燒24h，然后稱取負(fù)載量為24g/m2煅燒后的細(xì)菌纖維素滴加少量去離子水潤(rùn)濕，研磨15min，超聲分散5min，在50ml去離子水中磁力攪拌lOmin，在恒壓0.1MPa條件下，將分散均勻的細(xì)菌纖維素預(yù)沉積到偏聚氟乙烯超濾膜表面。
[0032]2)、在300毫升去離子水中加入0.5M的碳酸氫鈉溶液3毫升，然后加入I毫升3g/L的SA儲(chǔ)備液，用0.1M的鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH為7 ±0.1，將該SA溶液用上述步驟I)中預(yù)沉積了 24g/m2細(xì)菌纖維素的聚偏氟乙烯超濾膜超濾，用電子天平連接數(shù)據(jù)接收器采集數(shù)據(jù)，膜通量的變化如圖2所示。重復(fù)上述步驟三次，相比于第一次，第二次和第三次的膜初始通量恢復(fù)可以達(dá)到93.27% 和88.55%。
[0033]實(shí)施案例三
[0034]1)、將水凝膠狀的細(xì)菌纖維素切成塊狀(約1*2*1.5cm3)，在去離子水中浸泡兩天，冷凍干燥48h成氣凝膠狀，在氬氣氣氛中950度高溫煅燒24h，然后稱取負(fù)載量為12g/m2煅燒后的細(xì)菌纖維素滴加少量乙醇潤(rùn)濕，研磨15min，超聲分散5min，然后在35ml乙醇和15ml N-甲基吡咯烷酮混合液中磁力攪拌24h，在恒壓0.1MPa條件下，將分散均勻的由乙醇和N-甲基吡咯烷酮改性的細(xì)菌纖維素預(yù)沉積到偏聚氟乙烯超濾膜表面。
[0035]2)、在300毫升去離子水中加入0.5M的碳酸氫鈉溶液3毫升，然后加入I毫升3g/L的BSA儲(chǔ)備液，用0.1M的鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH為7 ± 0.1，將該BSA溶液用上述步驟I)中預(yù)沉積了12g/m2細(xì)菌纖維素的聚偏氟乙烯超濾膜超濾，用電子天平連接數(shù)據(jù)接收器采集數(shù)據(jù)，膜通量的變化如圖3所示。經(jīng)過(guò)300毫升水過(guò)濾實(shí)驗(yàn)后，膜通量仍然可以保持在60 %左右。
[0036]實(shí)施案例四
[0037]I)、將水凝膠狀的細(xì)菌纖維素切成塊狀(約1*2*1.5cm3)，在去離子水中浸泡兩天，冷凍干燥48h成氣凝膠狀，在氬氣氣氛中950度高溫煅燒24h，然后稱取負(fù)載量為12g/m2煅燒后的細(xì)菌纖維素滴加少量乙醇潤(rùn)濕，研磨15min，超聲分散5min，然后在35ml乙醇和15ml N-甲基吡咯烷酮混合液中磁力攪拌24h，在恒壓0.1MPa條件下，將分散均勻的由乙醇和N-甲基吡咯烷酮改性的細(xì)菌纖維素預(yù)沉積到偏聚氟乙烯超濾膜表面。
[0038]2)、在300毫升去離子水中加入0.5M的碳酸氫鈉溶液3毫升，然后加入I毫升3g/L的SA儲(chǔ)備液，用0.1M的鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH為7±0.1，將該SA溶液用上述步驟I)中預(yù)沉積了 12g/m2細(xì)菌纖維素的聚偏氟乙烯超濾膜超濾，用電子天平連接數(shù)據(jù)接收器采集數(shù)據(jù)，膜通量的變化如圖4所示。經(jīng)過(guò)300毫升水過(guò)濾實(shí)驗(yàn)后，膜通量仍然可以保持在60 %左右。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種碳納米纖維層對(duì)超濾膜改性的方法，其特征在于:具體步驟如下所述:將碳纖維預(yù)處理得到類顆粒狀碳纖維;再將預(yù)處理后的類顆粒狀碳纖維在溶劑中超聲充分分散攪拌，恒壓條件下，將分散均勻的碳納米纖維預(yù)沉積在超濾膜表面，得到改性后的超濾膜。2.如權(quán)利要求1所述的一種碳納米纖維層對(duì)超濾膜改性的方法，其特征在于:所述碳纖維預(yù)處理過(guò)程為:將碳纖維源浸泡、冷凍干燥，惰性氣氛中高溫煅燒，在煅燒后的纖維中加入溶劑，研磨，然后在溶劑中超聲充分分散攪拌，得到預(yù)處理后的類顆粒狀碳纖維。3.如權(quán)利要求1或2所述的一種碳納米纖維層對(duì)超濾膜改性的方法，其特征在于:所述溶劑為溶劑為水、乙醇或N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的一種或多種。4.如權(quán)利要求1或2所述的一種碳納米纖維層對(duì)超濾膜改性的方法，其特征在于:所述的碳纖維為細(xì)菌纖維素(BC)、絲瓜絡(luò)等植物纖維中的一種或多種。5.如權(quán)利要求1所述的一種碳納米纖維層對(duì)超濾膜改性的方法，其特征在于:所述的碳纖維浸泡時(shí)間為I天-14天;所述的碳纖維冷凍干燥的時(shí)間48h-96h;所述的碳纖維高溫煅燒的溫度為800-1000度;所述的碳纖維高溫煅燒的時(shí)間為24-48h;所述的碳纖維的研磨時(shí)間為5-30min;所述的碳纖維在恒壓下預(yù)沉積，這里的恒壓為0.05-0.2MPa;所述的碳纖維的負(fù)載量為 3g/m2-96g/m2。6.如權(quán)利要求1所述的一種碳納米纖維層對(duì)超濾膜改性的方法，其特征在于:所述改性后的超濾膜，經(jīng)清洗、再負(fù)載顆粒能夠反復(fù)使用。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種碳納米纖維層對(duì)超濾膜改性的方法，屬于環(huán)保水處理領(lǐng)域。將碳纖維預(yù)處理得到類顆粒狀碳纖維；再將預(yù)處理后的類顆粒狀碳纖維在溶劑中超聲充分分散攪拌，恒壓條件下，將分散均勻的碳納米纖維預(yù)沉積在超濾膜表面。本發(fā)明的超濾膜表面預(yù)沉積的碳納米纖維相當(dāng)于一個(gè)簡(jiǎn)易的膜層，優(yōu)先吸附污染物，減少膜污染。超濾膜表面預(yù)沉積的碳納米纖維源豐富，大大降低操作成本。超濾膜表面預(yù)沉積的碳納米纖維與超濾膜是物理沉積，待反應(yīng)后，用塑料刮片將其輕輕刮掉再用去離子水洗即可將其完全除去。本發(fā)明方法操作簡(jiǎn)單，成本低廉，且易于規(guī)?；褂煤屯茝V。
【IPC分類】B01D69/02, B01D67/00, B01D69/12, B01D71/34
【公開(kāi)號(hào)】CN105561810
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510970961
【發(fā)明人】劉婷, 連元龍, 孫克寧
【申請(qǐng)人】北京理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年5月11日
【申請(qǐng)日】2015年12月22日