一种耐氯性聚酰胺纳滤膜制备及耐氯性评价.pdf
《一种耐氯性聚酰胺纳滤膜制备及耐氯性评价.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《一种耐氯性聚酰胺纳滤膜制备及耐氯性评价.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第43卷第4期2023年8 月膜科学与技术MEMBRANE SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.43No.4Aug.2023一种耐氯性聚酰胺纳滤膜制备及耐氯性评价侯琴1,衣刚1,卢彦斌,孙广东1,李锁定1*,任凤伟1(1.北京碧水源膜科技有限公司,北京10 140 0;2.北京碧水源分离膜科技有限公司,北京10 140 0)摘要:针对传统聚哌嗪酰胺纳滤膜在低浓度余氯中暴露后脱盐性能下降的问题,采用2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(GTA)对膜脱盐层中的哌嗪端胺基进行了后处理修饰,以三乙醇胺作为反应催化剂和溶剂活化剂,制备了一种通量高的耐氯性纳滤膜.利用FTIR、SEM 对改性纳滤膜
2、结构进行了分析,考察了GTA和三乙醇胺的浓度、后处理时间对纳滤膜分离性能的影响,确定了最佳工艺条件.实验结果表明,优化复合膜通量由54.1L/(m h)提高到6 2.1L/(m h),氯化钠脱盐率保持在6 0%左右,并且在含有低浓度余氯(0.5mg/L)的自来水条件下测试其性能保持稳定.暴露余氯后的钙离子脱盐率稳定,展现出良好的耐氯荷电稳定性.关键词:纳滤膜;聚酰胺;耐氯性;自来水;余氯中图分类号:TQ028;X 7 99文献标志码:Adoi:10.16159/ki.issn1007-8924.2023.04.009纳滤膜介于反渗透膜和超滤膜之间,孔径0.52.0nm,对各类有机物有较高的截留
3、性能,可适度去除无机离子,保留人体必需的微量元素,是实现饮水安全、健康的家用净水技术之一.纳滤膜的电荷具有两面性:靠近基膜的脱盐层背面呈荷正电性,脱盐层表面呈荷负电性1-2 .这主要是因为在界面聚合反应过程中,水相胺单体浓度高于油相酰氯单体,使脱盐层背面胺基富余.而随着脱盐层的形成,后续水相胺单体向反应区扩散速率逐步减慢,其浓度开始低于油相酰氯单体浓度,从而使膜表面的酰氯基团富余.这种特殊的双层电荷结构使纳滤膜对高价阳离子和高价阴离子具有双重高截留率.然而在纳滤膜的实际应用过程中,通常需要投加一定量的活性氯进行杀菌消毒来缓解生物污染,使进料液中含有一定浓度的余氯3-4.余氯易使纳滤膜聚酰胺脱盐
4、层化学结构改变,从而导致膜分离性能下降5.因此,收稿日期:2 0 2 3-0 3-14;修改稿收到日期:2 0 2 3-0 6-0 8第一作者简介:侯琴(198 8-),女,陕西宝鸡人,硕士,从事反渗透纳滤膜的开发与应用研究。*通讯作者,E-mail:lisuod-引用本文:侯琴,衣刚,卢彦斌,等.一种耐氯性聚酰胺纳滤膜制备及耐氯性评价J膜科学与技术,2 0 2 3,43(4):6 974.Citation:Hou Q,Yi G,Lu Y B,et al.Preparation of a chlorine-resistant polyamide nanofiltration membrane
5、and its chlo-rine resistance evaluationJJ.Membrane Science and Technology(Chinese),2023,43(4):69-74.文章编号:10 0 7-8 9 2 4(2 0 2 3)0 4-0 0 6 9-0 6纳滤膜产品一般要求进水氯质量浓度 0.1mg/L.根据理论分析,聚哌嗪酰胺的氯化反应发生在未参与交联反应的哌嗪胺基上,反应途径主要包括两种6-7:(1)胺基基团的可逆氯取代;(2)胺基基团被氧化产生羟胺,不稳定的羟胺基团会进一步失去1个水分子最终形成亚胺基团.因此,纳滤膜的脱盐层氯化后正电荷密度会降低,从而导致纳
6、滤膜对高价阳离子的截留性能下降.表面涂层8 、化学修饰9、更换耐氯单体10 是提高纳滤膜耐氯性的常见方法.这些方法提高了纳滤膜在高浓度活性氯中的耐氯化分解性,但忽视了低浓度活性氯对脱盐层电荷的影响.本研究针对性地对纳滤膜氯化活性位点,即未参与交联反应的哌嗪端胺基进行修饰,制备出一种荷电性稳定的耐氯纳滤膜,并考察低浓度余氯对纳滤膜自来水截留率的影响.701实验部分1.1实验材料2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(GTA,工业级);三乙醇胺(工业级);氢氧化钠(分析纯);实验用水均为纯水,电导率 10 S/cm1.2膜材料制备1.2.1空白纳滤膜采用电晕工艺对2 0 m厚的聚乙烯(PE)多孔基膜进行亲水
7、改性,改性的PE基膜浸入质量分数1%哌嗪水相溶液中一定时间,取出沥干表面水珠,涂敷质量分数0.1%均苯三甲酰氯油相溶液,反应30s后去除多余油相溶液,在7 5烘箱中加热干燥1min,制备空白纳滤膜.1.2.2耐氯改性纳滤膜制备配制GTA溶液,加人催化剂三乙醇胺,调节溶液pH.将上述溶液加热至8 0,在原始纳滤膜背面进行涂覆,再在一定温度条件下加速反应和烘干,烘干后浸泡在过量的纯水中进行清洗并晾干,得到耐氯改性纳滤膜.1.3膜材料表征分析与测试1.3.1纳滤膜基本性能测试以2 50 mg/L氯化钠作为测试液,利用膜片错流测试装置,压力0.41MPa,预压30 min后测试膜片的通量和截留率。1.
8、3.2耐氯能力测试以自来水作为测试液.自来水中有持续的低浓度余氯(约0.5mg/L),还有钙、镁等高价离子(总硬度300mg/L).利用膜片错流测试装置,压力0.41MPa,预压30 min后测试膜片的通量和盐截留率.同时进行长时间运行,考察脱盐率和通量变化.截留率RCH,-CH,N+CH,CI0CH;膜科学与技术和通量J的计算式如式(1)和式(2)所示.R-CC100%C式中:R为截留率,%;C为进料液质量浓度,mg/L;Cp为渗出液质量浓度,mg/L.JSt式中:J为膜通量,L/(mh);V为产水体积,LS为测试膜片的面积,m;t为产水时间,h.1.3.3扫描电子显微镜(SEM)表征将干燥
9、后的膜片置于液氮中冷冻,并用液氮脆断,样品喷金后,使用扫描电子显微镜观察改性前后膜表面结构,分析膜的表面特征.1.3.4傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)表征使用傅里叶变换红外光谱仪分析膜片的化学组成,波数范围为40 0 0 50 0 cm-1.1.3.5Zeta 电位测试采用SurPASS固体表面Zeta电位分析仪(奥地利Anton Paar公司)表征膜表面的荷电性.以0.001 mol/L的KCl 作为导电液,用0.1 mol/L的KOH或HCl调节导电液的pH在310 之间.2结果与讨论2.1丝纳滤膜改性前后表征聚哌嗪酰胺纳滤膜耐氯改性的反应是在三乙醇胺的催化作用下,GTA的环氧基开环,接
10、枝在未参与界面聚合反应哌嗪的端胺基上,从而使纳滤膜的耐氯性提高.此外,GTA在三乙醇胺的催化下,还会发生自聚合反应形成环氧树脂,两者的反应机理见图1.FTIR谱图图2(a)结果显示,原始纳滤膜和改性纳滤膜均在16 30 cm-1处出现了C=O的伸三乙醇胺CH,催化剂+sNH自交联第43卷(1)(2)OHV一-CH,CHCH,N加热CI-CH,CH,CH2+C三乙醇胺CH,CH0图1GTA耐氯改性反应和自聚合反应机理Fig.1 Mechanism of chlorine resistance modification and self-polymerization reaction of GTA
11、第4期缩振动峰,表明改性前后聚酰胺键未受影响.同时,改性纳滤膜在17 40 cm-1处新增了一个特征吸收峰,是环氧开环反应中仲醇异构化的结果11,表明耐氯后处理GTA交联成功.此外,含有季铵盐官能团的GTA接枝到哌嗪端胺基后,脱盐层正电荷量增加,,因此改性后的膜表面Zeta电位在酸4 000 3 500 3 000 2 500 2 000 1 500 1 000Fig.2 FTIR spectra(a)and Zeta potential(b)of modified and non-modified membrane改性前表面500m断面100.nmFig.3 SEM micrograph o
12、f modified andnon-modified membrane2.2改性时间和浓度对膜分离性能的影响图4显示了改性处理时间对膜分离性能的影响.原始纳滤膜的通量为54.1L/(m h),氯化钠脱盐率为6 0.5%.经过1和3min的改性处理后,膜通量分别提高至6 1.2、6 1.1L/(m h),脱盐率仍然保持在6 0%左右.而后处理时间增加到5min后,通量下降至50.0 L/(m h),脱盐率为6 2.7%.进一步延长改性时间至10 min时,通量则下降至44.2L/(mh),同时脱盐率提高至7 9.5%.三乙醇胺具有溶剂活化作用,使聚酰胺脱盐层形成更多侯琴等:一种耐氯性聚酰胺纳滤膜
13、制备及耐氯性评价改性后改性前波数/cml图2 膜改性前后的FTIR谱图(a)和Zeta电位图(b)改性后100nm图3膜改性前后的SEM图71性条件下有所提高图2(b).而脱盐层中羧基官能团未发生改变,因而在碱性条件下膜改性前后的Zeta电位相同.图3为纳滤膜改性前后的SEM图,两种膜均显示出纳滤膜典型的光滑表面,脱盐层厚度均为10 0 nm左右,表明改性处理未改变膜表面形貌.(b)100-10-20-3034567891011pH的水分子传输通道12 .因此,短时间改性处理(1和3min)使复合纳滤膜的膜通量提升,同时不牺牲脱盐性能.而随着后处理时间增加,接枝交联反应持续进行,自聚合反应形成
14、环氧树脂涂层等,增加了脱盐层的水流阻力,因此通量逐渐下降、脱盐率逐渐提高.6560(4,.T)/鲁55504540350图4后处理时间对膜分离性能的影响Fig.4Effect of post-treatment time on separationproperty of modified membrane为验证三乙醇胺的溶剂活化作用,测试经过不同三乙醇胺浓度改性的膜片性能图5(a).结果表明,膜片通量随着三乙醇胺浓度提高而增加,并且氯化钠的脱盐率均保持不变.同时考察了GTA浓度对后处理效果的影响.从图5(b)中可以看出,随着GTA质量分数从6%增加到12%,膜通量从6 4.1-口-改性前改性后
15、口1后处理时间/min9080%/率舞504030351072L/(mh)逐渐降低至57.2 L/(mh),同时脱盐从58.6%逐渐提高到7 0.6%.2.3改性膜在自来水中的运行评价为考察改性膜的耐氯能力,选择了含有持续低浓度余氯(约0.5mg/L)的自来水作为测试液.结果如图6 所示,原始纳滤膜的自来水初始脱盐率为63.1%,通量为49.1L/(m h).运行1h后脱盐率衰减至32.5%,通量略降低至45.5L/(m h).在运行2 6 h期间内,脱盐率和通量相对稳定.脱盐率衰减是因为自来水中含有余氯,脱盐层聚酰胺中未参与反应的一NH一基团上的氢会被氯取代生成一NCI一基团,使正电荷密度降
16、低,从而导致膜对高价阳离子的截留性能下降.而通量降低是因为脱6590(a)60(r-4-,.T)/鲁3500.2 0.40.60.81.0三乙醇胺质量分数/%图5三乙醇胺浓度(a)和GTA浓度(b)对膜分离性能的影响Fig.5Effect of triethanolamine(a)and GTA(b)concentration on the separation property of modified membrane907560膜科学与技术盐层被氯化后聚酰胺之间的氢键作用消失,从而失去刚性支撑而被压密所致.经过1 min改性处理后的纳滤膜对自来水的初始脱盐率为6 0.1%,通量为53.6
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 一种 耐氯性 聚酰胺 滤膜 制备 评价
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。