一种纳米纤维正渗透复合膜的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种纳米纤维正渗透复合膜的制备方法。该方法包括：制备静电纺丝聚丙烯腈纳米纤维；进行热压得到压实的纳米纤维膜；以间苯二胺和单官能金刚烷胺混合水相单体与均苯三甲酰氯间的界面聚合反应构筑聚酰胺活性层；将复合膜漂浮于热NaOH浴表面进行热固化，最终制得纳米纤维正渗透复合膜。此方法利用单官能度金刚烷胺与传统间苯二胺水相单体的配合使用，采用热NaOH浴固化，可同时实现对聚丙烯腈纳米纤维支撑层和界面聚合皮层的亲水官能化改性，提高层间结合力。本发明专利技术制备的纳米纤维正渗透复合膜具有良好的水渗透性能，逆向汲取液溶质渗漏问题也可得到有效缓解。汲取液溶质渗漏问题也可得到有效缓解。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米纤维正渗透复合膜的制备方法


[0001]本专利技术公开一种纳米纤维正渗透复合膜的制备方法，属于膜分离


技术介绍

[0002]正渗透（FO）是水响应于选择性半透膜两侧溶质浓度差（即提供渗透压的汲取液与待处理原料液间的渗透压差）而自发正向渗透扩散的过程，独特的驱动机制赋予其操作过程简单、能耗低和膜污染疏松易清洗等优势。近年来，FO在海水淡化、污废水处理、污泥处置、药物/食品浓缩和膜生物反应器等诸多领域都显示出了巨大的应用潜力。目前，已商业化和处于研发阶段的FO膜，通常为由相转化方法制备的多孔支撑层与其上以界面聚合形成的聚酰胺（聚酰胺）选择性皮层复合而成的复合薄膜（TFC）。相转化支撑层具海绵状和指状孔，孔隙率较低，且孔道弯曲，传质阻力较大，内浓差极化（ICP）严重（当支撑层面向汲取液，即FO模式，支撑层内汲取液溶质会在被渗透水稀释，产生稀释的ICP；当聚酰胺皮层面向汲取液，即PRO模式，原料液溶质会在支撑层内滞留富集，产生浓缩的ICP），导致FO性能下降。
[0003]静电纺丝技术是利用高压静电场对高分子溶液的牵伸作用并最终在接收装置上收集得到纳米纤维的方法，其材料选择和结构性质灵活可调。静电纺丝纳米纤维膜具有完全开放的直通孔结构，孔隙率高，已被尝试用作TFC FO膜支撑层，可有效缓解内浓差极化现象。相较表面更为平整、孔径均匀的相转化支撑层，在具不规则孔结构的粗糙纳米纤维膜表面获得稳定低缺陷的界面聚合聚酰胺皮层存在一定困难，通常需要构筑中间层或附加层，以减小汲取液溶质的逆向渗漏及提高纳米纤维支撑层与聚酰胺皮层间的结合力。如CN105879701A以多孔UiO
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66/PSF静电纺丝膜为支撑层，并于界面聚合聚酰胺皮层表面层层组装聚多巴胺、聚乙烯亚胺、UiO
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66和聚丙烯酸制备新型TFC FO膜；CN105879701A于纳米纤维支撑层上引入二维多孔石墨烯层，与聚酰胺皮层构成“类三明治”结构TFC FO膜。然而，上述制备方法步骤较为繁琐，易对原始膜造成化学损伤，且可能会牺牲一定的水通量。因此，如何基于纳米纤维膜的形貌结构特性和TFC FO膜的性能需求，直接从界面聚合皮层的制备工艺着手，从而更好地利用纳米纤维支撑层的优势，值得进一步深入探究。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在提供一种新的纳米纤维正渗透复合膜及其制备方法。
[0005]具体地，本专利技术提供了一种纳米纤维正渗透复合膜的制备方法，该方法包括以下步骤：（1）将聚丙烯腈溶解于溶剂中配置成浓度为8
‑
15 wt%的纺丝液，将其通过静电纺丝制成纳米纤维膜；（2）对（1）中所述纳米纤维膜进行热压，得到压实的纳米纤维膜；（3）固定（2）中所述压实的聚丙烯腈纳米纤维膜，向其上表面倾倒1
‑
5 wt%间苯二胺和0.05
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1 wt%单官能度金刚烷胺的混合水相溶液，停留1
‑
10 min；（4）排除（3）中吸收混合水相溶液后的聚丙烯腈纳米纤维膜中的气泡，并采用风刀
N,N
‑
二甲基乙酰胺（1:1 w/w）的混合溶剂中，配制成浓度12 wt%的纺丝液，通过静电纺丝（纺丝电压为20 kV，纺丝液给料流速为1.5 mL/h，纺丝喷射电极与接收装置的距离为15 cm，纺丝时间为8 h）制成纳米纤维膜；（2）对（1）中所述纳米纤维膜进行热压（压力3 MPa、温度120 ℃、时间20 min），得到压实的纳米纤维膜；（3）固定（2）中所述压实的聚丙烯腈纳米纤维膜，向其上表面倾倒2 wt%间苯二胺和0.2 wt%单官能度金刚烷胺的混合水相溶液，停留5 min；（4）排除（3）中吸收混合水相溶液后的聚丙烯腈纳米纤维膜中的气泡，并采用风刀吹扫去除其表面残留水相溶液；（5）向步骤（4）最终得到的中得到的纳米纤维膜上表面进一步倾倒0.2 wt%均苯三甲酰氯/正己烷有机相溶液进行界面聚合反应1 min；（6）将（5）中得到的纳米纤维支撑界面聚合膜漂浮于热NaOH浴（0.5 mol/L，60℃）表面热固化10 min，最终得到纳米纤维正渗透复合膜。
[0018]（7）对（6）中制备所得聚丙烯腈纳米纤维复合膜的正渗透性能进行评价，测试条件：采用实验室自制FO测试系统对所制备TFC膜进行正渗透性能评价: 将待测膜安置于自制膜组件（有效膜面积为33.56 cm2，尺寸8.54*3.93 cm）中，以1 L 3.5 wt% NaCl为汲取液，1 L去离子水为原料液，采用蠕动泵使料液在膜两侧循环流动，膜面料液流速8.3 cm/s，温度24
±
1℃；对原料液进行持续磁力搅拌，以保持汲取液盐溶液反混后料液均匀性，分别采用电导率仪和电子天平监测原料液电导率和汲取液重量变化，最终计算得到水通量（L/m2·
h, LMH）和逆向盐通量（g/m2·
h, gMH）。在FO模式下测试所得起始纯水通量为19.67 LMH，逆向盐通量为1.13 gMH。其表面形貌如图1所示。
[0019]实施例2以3.5 wt%间苯二胺和0.8 wt%单官能度金刚烷胺为混合水相溶液，其他条件与实施例1相同，本实施方法所得的聚丙烯腈纳米纤维正渗透复合膜水通量为25.03 LMH，逆向盐通量为2.65 gMH。
[0020]实施例3以3.5 wt%间苯二胺和0.5 wt%单官能度金刚烷胺为混合水相溶液，其他条件与实施例1相同，本实施方法所得的聚丙烯腈纳米纤维正渗透复合膜水通量为22.87 LMH，逆向盐通量为0.89 gMH。
[0021]实施例4采用热NaOH浴（0.25 mol/L，70 ℃）热固化5 min，其他条件与实施例3相同，本实施方法所得的聚丙烯腈纳米纤维正渗透复合膜水通量为20.86 LMH，逆向盐通量为0.65 gMH。
[0022]实施例5采用热NaOH浴（1 mol/L，80 ℃）热固化5 min，其他条件与实施例3相同，本实施方法所得的聚丙烯腈纳米纤维正渗透复合膜水通量为28.74 LMH，逆向盐通量为3.94 gMH。
[0023]对比例1以2 wt% 间苯二胺为界面聚合水相溶液，其他条件与实施例1相同，本实施方法所得的聚丙烯腈纳米纤维正渗透复合膜水通量为14.30 LMH，逆向盐通量为3.57 gMH。其表面
形貌如图2所示。
[0024]对比例2以热水浴替代热氢氧化钠浴，其他条件与实施例1相同，本实施方法所得的聚丙烯腈纳米纤维正渗透复合膜水通量为7.15 LMH，逆向盐通量为0.68 gMH。其表面形貌如图3所示。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米纤维正渗透复合膜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：（1）将聚丙烯腈溶解于溶剂中配制成纺丝液，将其通过静电纺丝制成纳米纤维膜；（2）对（1）中所述纳米纤维膜进行热压，得到压实的纳米纤维膜；（3）固定（2）中所述压实的聚丙烯腈纳米纤维膜，向其上表面倾倒间苯二胺和单官能度金刚烷胺的混合水相溶液；（4）排除（3）中吸收混合水相溶液后的聚丙烯腈纳米纤维膜中的气泡，并采用风刀吹扫去除其表面残留水相溶液；（5）向步骤（4）最终得到的中得到的纳米纤维膜上表面进一步倾倒均苯三甲酰氯/正己烷有机相溶液进行界面聚合反应；（6）将（5）中得到的纳米纤维支撑界面聚合膜漂浮于热NaOH浴表面进行热固化，最终得到纳米纤维正渗透复合膜。2.根据权利要求1所述的纳米纤维正渗透复合膜的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述聚丙烯腈的分子量为90000
‑
150000g/mol，纺丝液浓度为8
‑
15wt%。3.根据权利要求1所述的纳米纤维正渗透复合膜的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述溶剂选自N, N
‑
二甲基甲酰胺、N, N
‑
二甲基乙酰胺、二甲基亚砜和丙酮中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的一种纳米纤维正渗透复合膜的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述静电纺丝的条件包括纺丝电压为10
‑
30 kV，纺丝液给料流速...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯小雪，郑煜铭，邵再东，
申请(专利权)人：中国科学院城市环境研究所，
类型：发明
国别省市：