一种磁性电滤膜及其制备方法技术

本发明专利技术属于膜分离技术领域，具体涉及一种能调整截留分子量大小的磁性电滤膜，该膜由聚合物、导电材料和磁性纳米颗粒通过浸沉凝胶相转化法制作而成的能调整截留分子量大小的滤膜，在制膜过程中加入导电材料和磁性纳米颗粒，使之在导电材料和纳米磁性颗粒的作用下，通过调整电流大小能对电滤膜的截留分子量大小进行调控，实现连续分离不同分子量范围的一系列物质。同时，由于电流的磁效应，导电纤维周围形成的环形电磁场能阻碍溶质或胶体接近或沉积膜面，有效抑制浓差极化，防止膜污染。

【技术实现步骤摘要】
一种磁性电滤膜及其制备方法
本专利技术属于膜分离
，具体涉及一种能调整截留分子量大小的磁性电滤膜。
技术介绍
膜分离技术是一种以压差为动力的绿色分离技术，具有回收率高、无相分离、操作简便、能耗低等优点，近40年来迅速发展，在生物、食品、能源、医药、化工、环境保护等领域得到广泛应用。尽管膜分离技术具有传统分离技术无可比拟的优势，但依然存在一些缺陷，制约了膜分离技术的进一步发展。现有滤膜存在的一个问题是膜孔径基本上是固定的，对物质的截留率或透过率相对稳定，不能连续分离不同分子量范围的一系列物质。目前，在膜的性能改进方面已做了大量的研究，其中无机-有机复合滤膜引起了人们广泛的兴趣。据荷兰《膜科学杂志》（JournalofMembraneScience284,2006,9-16）的报道，潘见等用相转换法把纳米Fe3O4颗粒填充到聚砜中制备磁性复合超滤膜，该膜的有效孔径能随着外加磁场强度的变化而变化。磁性超滤膜的出现有望通过调节外加磁场实现对一系列不同物质的连续分离。此外，膜分离过程中一个常见的问题是浓差极化。浓差极化现象出现的原因是，溶质或胶体微粒被截留并积累在膜高压侧表面，形成膜表面到主体溶液间的浓度梯度。浓差极化会使溶质或胶体在膜表面沉淀并堵塞膜孔，甚至出现膜污染，导致膜分离性能改变，严重时膜透水性能大幅度下降，甚至完全消失。中国专利申请CN103406031A公开了一种低阻高通量耐污型水处理膜。该膜以磺化聚醚砜-聚砜/TiO2超滤膜为模板，通过原位生成法在基膜孔道内生成Fe3O4纳米粒子，得到Fe3O4/磺化聚醚砜-聚砜/TiO2磁性超滤膜。该膜的特点是：增强膜的亲水性，延缓膜污染，延长膜的使用寿命；通过调节外加磁场实现连续分离不同分子量范围的一系列物质。该膜的缺陷在于，要实现连续分离不同分子量范围的一系列物质需要外加0.4T~1T的外加磁场，增加了能耗；此外，亲水性改进虽然能延缓膜污染，但不能抑制浓差极化现象。中国专利CN101596406B公开了一种利用外加电场和大孔径过滤膜相结合的方法同时实现高通量和截留率。所述的方法是，选用孔径大于目标微粒或分子的过滤膜；在膜的两侧外加由一对与外接直流电源连接电极产生的电场。该方法的特征是：在膜过滤过程中，溶质分子和微粒在外加电场的作用下产生背离膜面的运动而截留在膜分离侧，溶剂分子在压力驱动下快速透过膜，通过改变电场电压的大小能对截留分子量大小进行微调。但该法只有在被分离物质带特定电荷的条件下才能有好的效果，而且对截留分子量大小的可控范围太窄，不具备连续分离不同物质的能力。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供了一种磁性电滤膜，该膜通过改变电流，能对电滤膜的孔径进行一定程度的调节，能截留不同分子量大小的物质，实现只用一种滤膜连续分离多种有效成分。同时，该膜在通电过程中产生的电磁场能减少带电颗粒和胶体在膜表面的沉积，抑制浓差极化，降低膜污染。本专利技术磁性电滤膜由聚合物、导电材料和磁性纳米颗粒通过浸沉凝胶相转化法制作而成的能调整截留分子量大小的滤膜。制好的磁性电滤膜为非对称膜，由电滤层和大孔支撑层构成。如图1所示。其中电滤层是磁性电滤膜的功能层，含有磁性纳米颗粒，起到调节截留分子量大小的主要作用。大孔支撑层在过滤过程中主要起到支撑作用，导电材料被布置在该层，不会对滤膜原有的性能产生影响。本专利技术中本专利技术中所述聚合物为聚砜、聚醚砜、聚丙烯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯中的一种。所述导电材料是直径为20~200μm、比电阻小于1×10-5Ω·cm的金属细丝或导电纤维丝，导电材料以0.5~5mm间距布置。所述磁性纳米颗粒为磁性纳米颗粒为Fe3O4、Co、Ni、FeCo、NiFe中的一种，磁性纳米颗粒的添加量为聚合物质量的20~40%；本专利技术涉及到的Fe3O4纳米颗粒可用常规共沉淀法、溶胶-凝胶或热分解法制备。Co、Ni、Fe-Co和Ni-Fe纳米颗粒可用常规热分解法、乳液法或水热法制备。本专利技术的另一目的是提供磁性电滤膜的制备方法，通过浸沉凝胶相转化法制得，具体步骤如下：（1）在50~95℃下将聚合物、溶剂、添加剂混合搅拌4h以上，待完全溶解后经压滤并静置脱泡15~30h，制得铸膜液，其中按组合物总质量的百分数计，聚合物、溶剂、添加剂的添加量分别为12~25%、65~85%、1~10%；（2）在上述铸膜液中加入聚合物质量20~40%的磁性纳米颗粒，得到的混合液在70~80℃下，在N2保护中连续高速机械搅拌至完全溶解后，超声波震荡分散20-40min；（3）将导电材料均匀的布置在固定有无纺布的玻璃板上，电流通过电滤膜时相邻导电材料里通过的电流方向相同，导电材料之间的距离为0.5~5mm；（4）将步骤（2）得到的混合液以流延法在布置有导电材料的无纺布上刮制成厚度为200~500μm的液膜，并留出接电源的端点，静置0.5~10min，使溶剂蒸发；（5）使步骤（4）得到的液膜放入-5~10℃冷浸液中冷浸1~2h，使膜凝胶化成型，然后从无纺布上取下成型膜，最后在60~90℃热水中处理10~60min，即得到磁性电滤膜。其中，步骤（1）的溶剂是二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜中的一种。添加剂是甲酰胺、二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮等中的一种。其中，步骤（4）的冷浸液为水和0.1mol/LNaCl溶液中的一种。本专利技术具有的“抑制浓差极化”功能通过电流网络周围的电磁场实现：电滤膜里有电流通过时，由于电流的磁效应，导电细丝周围形成环形电磁场，被处理物料中的带电微粒和胶体受这些磁场的影响而远离膜面，有效抑制了浓差极化和膜污染。为了便于分析这些磁场对带电微粒和胶体的作用，我们把存在电滤膜上的磁场分解为与膜面平行和垂直的两个分磁场，分别进行分析。对于与膜面平行的分磁场，由于相邻导电材料的电流方向一致，所有导电材料产生的分磁场方向是相同，而且越靠近膜面磁场强度越大。当带正电微粒接近滤膜时，带电微粒受到洛伦兹力F1的作用，朝着F1方向偏移，如图3a所示。带电微粒偏移后会有V2方向的分速度，此时带电微粒受到的一部分洛伦兹力为F2，如图3b所示。当带电微粒运动方向与膜面平行时，开始朝着远离膜面的方向移动，由于越靠近膜面磁场强度越大，此时带电微粒所受的洛伦兹力最大，而且随着带电微粒的移动洛伦兹力越来越小，磁场对其影响逐渐减小而使其远离膜面。带电微粒的运动轨迹如图3c所示。对于带负电的微粒或胶体，其在水平方向的移动轨迹与正电荷相反，但在垂直方向上的运动轨迹与带正电荷的微粒一致。在这个过程中，带电微粒或胶体受到洛伦兹力的作用而远离膜表面，有效抑制了浓差极化的出现。对于与膜面垂直的磁场，相邻导电材料产生的分磁场方向相反，对带电微粒或胶体的洛伦兹力与膜面平行，但方向相反。因而，带电微粒或胶体运动时连续受到两个方向相反的洛伦兹力，起到一个类似于搅拌的作用，使微粒和胶体不容易沉积在电滤膜表面，减缓膜表面凝胶层形成的速度，降低膜污染。本专利技术具有的“截留分子量大小调控”功能通过调整电流大小实现：（1）接通电源后，电滤膜里有电流通过，由于电流的磁效应，导电细丝周围形成环形电磁场。由于电滤层里填充了固定的具有超顺磁性的纳米磁性颗粒，在电磁场的作用下纳米磁性颗粒具有超顺磁性，会沿着磁场方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性电滤膜，其特征在于：磁性电滤膜是由聚合物、导电材料和磁性纳米颗粒制作而成的能调整截留分子量大小的滤膜。

【技术特征摘要】
1.一种磁性电滤膜，其特征在于：磁性电滤膜是由聚合物、导电材料和磁性纳米颗粒通过浸沉凝胶相转化法制作而成的能调整截留分子量大小的滤膜；所述导电材料是直径为20~200μm、比电阻小于1×10-5Ω·cm的金属细丝或导电纤维丝，导电材料以0.5~5mm间距布置；电流通过电滤膜时相邻导电材料里通过的电流方向相同；磁性电滤膜为非对称膜，由电滤层和大孔支撑层构成，其中电滤层是磁性电滤膜的功能层，含有磁性纳米颗粒，起到调节截留分子量大小的主要作用；大孔支撑层在过滤过程中主要起到支撑作用，导电材料被布置在该层。2.根据权利要求1所述磁性电滤膜，其特征在于：聚合物为聚砜、聚醚砜、聚丙烯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯中的一种。3.根据权利要求1所述磁性电滤膜，其特征在于：磁性纳米颗粒为Fe3O4、Co、Ni、FeCo、NiFe中的一种，磁性纳米颗粒的添加量为聚合物质量的20~40%。4.权利要求1中所述的磁性电滤膜的制备方法，其特征在于具体步骤如下：（1）在50~95℃下将聚合物、溶剂、添加剂混合搅拌4h以上，待完全溶解后经压滤并静置脱泡15~30h，制得铸膜液，其中按组合物总质量的百分数计，聚合物...

【专利技术属性】
技术研发人员：瞿广飞，解若松，李军燕，宁平，涂灿，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53