用于分离阴离子染料和重金属的醋酸纤维素基超滤膜及其制备方法与流程

本发明涉及膜分离废水处理技术领域，具体涉及一种用于分离阴离子染料和重金属的醋酸纤维素基超滤膜及其制备方法。

背景技术：

近年来随着工业的快速发展和人口的迅速增长，人们向环境中释放的废物越来越多，例如大气污染、水污染、噪声污染，其中水污染尤其需要我们人类的关注。因为水资源直接和我们人类日常的生产、生活、健康息息相关。水的污染源主要有以下几种：造纸、印刷、纺织废水、食品工程中的废水等，这些污染对水资源的安全造成了极大的威胁，如果任由水污染的发展，则会造成人类可用水急剧下降，甚至会使生态平衡遭到破坏。因此我们急需对水资源进行净化。传统技术，如离子交换、凝聚和絮凝、沉淀、吸附、膜分离被广泛用于来净化污水，然而，这些操作过程具有能耗高，形成有毒的污泥，以及要进行多次分离的缺点，相比之下，膜分离技术由于其操作简单、能耗较低、分离过程无相变已经广泛地应用于水处理过程中。特别是纳滤(英文缩写名称为nf，以下括号内均为前述名词的英文缩写名称)和反渗透(ro)可以完全截留住重金属。然而，与超滤(uf)以及微滤(mf)相比，纳滤(nf)和反渗透(ro)在高工作压力进行分离，以及较低的水通量，而超滤(uf)以及微滤(mf)可以在较低的压力下操作，水通量和水通量恢复率都很高。而纳滤截留的机理有机械筛分和静电排斥作用，因此对超滤膜进行从理论上可以达到截留重金属的目的。

醋酸纤维素(ca)是首先制备液相分离，比如反渗透和超滤膜的聚合物之一，由于ca具有如下优点：价格低廉、可生物再生、环保、良好的成膜性等。ca膜材料可以运用在废水处理领域，如alkag等制备了n，o-羧甲基壳聚糖/ca复合膜并将其运用于水处理当中，然而ca基膜材料在结构上就有较厚的致密皮层，以及在膜分离过程中容易被外界污染物污染，不能长时间清洗等问题致使其在膜分离过程中效率降低。因此，为了满足实际需要我们需要对ca基超滤膜改性使其运用于水处理过程当中。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高阴离子染料和重金属的截留率、高水通量和高膜抗污染能力的用于分离阴离子染料和重金属的醋酸纤维素基超滤膜及其制备方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：

用于分离阴离子染料和重金属的醋酸纤维素基超滤膜包括如下组分：埃洛石纳米管和醋酸纤维素；所述埃洛石纳米管接枝了n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷。

埃洛石纳米管(hnts)是一种天然无机纳米材料，具有如下特性：成本低、在中国分布较广、强度与碳纳米管相当、可生物降解、具有纳米管状结构。hnts的用途广泛，可以用于助剂、功能材料、催化剂和增强剂等，由于它具有较大的比表面积，多孔结构和较好的生物相容性，常被用来当做吸附剂来除去废水中的活性染料、重金属以及其他污染物等。hnts有一定的羟基分布，hnts也可以作为一种亲水性添加剂制备膜来提高膜的渗透性能和抗污染性能。另外hnts外表面带负电荷，可以通过静电作用来排斥污染物的吸附，但是作为无机纳米材料，由于较强的范德华力，容易使hnts发生团聚，与基材的相容性较差，从而不能充分利用hnts的性质，因此为了充分利用hnts的优点，人们尝试对hnts进行改性，来增强它在基材当中的分散性，提高与基材的相容性，本发明中利用n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷对hnts进行改性，得到n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷改性的hnts(khnts)，然后将其添加到ca体系当中制备复合膜，可以提高hnts在ca的分散性，并且利用hnts表面带有负电荷以及含有氨基这一特点，把khnts/ca复合膜用于废水处理当中重金属离子与染料的分离。

本发明首次将接枝了n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的埃洛石纳米管作为添加剂添加到醋酸纤维素超滤膜中，提高了对阴离子染料和重金属的截留率、醋酸纤维素基超滤膜的水通量和抗污染能力。

进一步的，上述用于分离阴离子染料和重金属的醋酸纤维素基超滤膜包括如下重量份组分：1-3份接枝了n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的埃洛石纳米管、100份醋酸纤维素；所述接枝了n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的埃洛石纳米管与n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的质量比为(2-3)：1。

进一步的，上述用于分离阴离子染料和重金属的醋酸纤维素基超滤膜中，所述埃洛石纳米管的尺寸参数为：直径为0.2-1.5um、内径为10-30nm、外径为40-60nm。

如上所述的用于分离阴离子染料和重金属的醋酸纤维素基超滤膜的制备方法包括步骤：

a.将接枝了n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的埃洛石纳米管溶于极性溶剂中分散均匀；极性溶剂主要是具有不对称的分子结构、电子云偏移程度大的溶剂，如n-甲基吡咯烷酮、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜等溶剂；

b.再加入醋酸纤维素配置成铸膜液；

c.将铸膜液于55-60℃温度下恒温搅拌，然后静置脱泡；

d.将铸膜液涂膜后放入凝固浴中经相分离成膜。

进一步的，上述用于分离阴离子染料和重金属的醋酸纤维素基超滤膜的制备方法中，所述步骤a中使用的极性溶剂为n,n-二甲基乙酰胺、n,n-二甲基甲酰胺、n-甲基吡咯烷酮中的一种或多种混合。在上述优选的极性溶剂中，各组分在铸膜液中分散更加均匀，制备的超滤膜孔径及孔分散也更加均匀。

进一步的，上述用于分离阴离子染料和重金属的醋酸纤维素基超滤膜的制备方法中，所述铸膜液中的醋酸纤维素、接枝了n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的埃洛石纳米管、极性溶剂的质量用量比为20：(1-3)：80。

进一步的，上述用于分离阴离子染料和重金属的醋酸纤维素基超滤膜的制备方法中，所述步骤a中分散操作为超声分散，超声处理时间为30-45min。

进一步的，上述用于分离阴离子染料和重金属的醋酸纤维素基超滤膜的制备方法中，所述步骤d中用挂膜机涂膜控制湿膜的厚度为250±5um，然后将湿膜放置于空气中溶剂挥发30-45s最后将湿膜放入凝固浴去离子水中相分离成膜。

进一步的，上述用于分离阴离子染料和重金属的醋酸纤维素基超滤膜的制备方法中，所述步骤a中埃洛石纳米管接枝n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的方法如下：

将埃洛石纳米管加入盐酸中搅拌5-7h，然后重复水洗和离心操作至上清液为中性，然后将中性产物干燥，将干燥后的中性产物加入n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷和甲苯的混合溶液中，在110℃温度下加热回流22-26h得改性埃洛石纳米管，提纯干燥即得接枝了n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的埃洛石纳米管。

进一步优选的，上述用于分离阴离子染料和重金属的醋酸纤维素基超滤膜的制备方法中，所述步骤a中埃洛石纳米管接枝n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的方法如下：

取10ghnts加入40g质量分数为10％的盐酸当中，25℃的条件下磁力搅拌6h，将酸洗后的hnts用大量去离子水洗涤，离心，直至上清液为中性为止，然后将洗涤之后的hnts放在真空干燥箱里110℃干燥24得到干燥的hnts；称取3.0g干燥的hnts加入6.0ml的n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷和100ml的甲苯混合溶液中，110℃下回流24h，反应结束后，将改性hnts用大量去离子水和乙醇反复离心水洗，以洗掉未反应完的n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷，水洗结束后将固体物置于真空烘箱中80℃干燥12h，即可得到n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷改性的hnts，记为khnts。

本发明具有如下有益效果：

本发明利用接枝了n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的埃洛石纳米管作为添加剂与醋酸纤维素共混，通过非溶剂致相分离(nonsolventinducephaseseparation，缩写nips)的办法来制备改性醋酸纤维素超滤膜，在不破坏醋酸纤维素基材理化性质的基础上，提高了醋酸纤维素基超滤膜的水通量、阴离子染料和重金属的截留率、抗污染能力、循环利用次数、机械性能等。共混改性方法操作简单、可行性好、效率高。

埃洛石纳米管与其他二维纳米材料相比如碳纳米管等，其价格低廉、强度较高、在基材中分散性较好。埃洛石纳米管在比较温和的条件下经过n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷处理之后，使埃洛石纳米管表面带有氨基可以鳌和重金属，亲水性和基材的相容性进一步提高。

所以基于此，本发明首次将n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的埃洛石纳米管与醋酸纤维素共混制备醋酸纤维素基超滤膜，从而可以有机并且有效结合两者的优良品质，利用埃洛石纳米管较低的价格等优点可以使这种改性醋酸纤维素超滤膜进一步市场化。通过本发明方法制备的醋酸纤维素基超滤膜具有非常好的市场应用前景和工业化生产价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明中实施例3提供的用于分离阴离子染料和重金属的醋酸纤维素基超滤膜的断面扫描电镜图；

图2为本发明中对比例1制备的膜的断面扫描电镜图；

图3为本发明一实施例提供的用于分离阴离子染料和重金属的醋酸纤维素基超滤膜对阴离子染料刚果红截留率的示意图。

具体实施方式

下面结合图1和图2以及具体的实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，本发明所记载的实施例仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中无特别说明的百分数均为质量分数。

实施例1

取10.00ghnts加入40.00g质量分数为10％的盐酸当中，25℃的条件下磁力搅拌6h，将酸洗后的hnts用大量去离子水洗涤，离心，直至上清液为中性为止，然后将洗涤之后的hnts放在真空干燥箱里110℃干燥24得到干燥的hnts；称取3.0g干燥的hnts加入6.0ml的n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷和100ml的甲苯混合溶液中，110℃下回流24h，反应结束后，将改性hnts用大量去离子水和乙醇反复离心水洗，以洗掉未反应完的n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷，水洗结束后将固体物置于真空烘箱中80℃干燥12h，即可得到n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷改性的hnts，记为khnts。

称取0.04g的制得的khnts溶于16.0g的二甲基乙酰胺中，超声处理30min-45min使khnts分散均匀，再加入4.0g的醋酸纤维素，配置成铸膜液，将铸膜液置于带有磁力搅拌恒温水浴锅中，恒温水浴锅的温度为50-60℃，磁力搅拌的时间为10-12h，转速为300-350r/min，空气中静置脱泡的时间为4-6h，用挂膜机涂膜控制湿膜的厚度为250±5um，将湿膜放置于空气中溶剂挥发30-45s，最后将湿膜放入凝固浴去离子水中相分离成膜，膜标记为m1。阴离子活性染料为刚果红，其浓度为100ppm，在0.2mpa下用amicon8200杯式超滤杯进行染料的截留试验。重金属截留实验为：用质量分数为1％的pei作为凝聚剂来聚集重金属离子，从而形成较大大分子量的聚集态，具体处理过程为：将100ppm的cu²⁺、cr⁶⁺、zn²⁺、cd²⁺离子溶液分别加入到质量分数1wt％的pei溶液中。用少量0.1mhcl或者0.1mnaoh溶液将ph调成6±0.25。然后静置5天用于离子透过性测量。截留后的离子浓度用原子吸收分光光度计测量。

膜m1的性能检测结果：

0.20mpa下测试水通量为27.68±2.04l/m²·h，阴离子染料刚果红的截留率为66.43±1.55％，cr⁶⁺的截留率为86.72±1.32％、cu²⁺的截留率为85.14±0.56％、zn²⁺的截留率为83.72±1.58％、cd²⁺的截留率为82.58±2.14％，经过3次循环测试，对含有cu²⁺和刚果红的废水的水通量恢复率由87.5％下降到81.5％。

实施例2

取10.00ghnts加入40.00g质量分数为10％的盐酸当中，25℃的条件下磁力搅拌6h，将酸洗后的hnts用大量去离子水洗涤，离心，直至上清液为中性为止，然后将洗涤之后的hnts放在真空干燥箱里110℃干燥24得到干燥的hnts；称取3.00g干燥的hnts加入6.00ml的n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷和100ml的甲苯混合溶液中，110℃下回流24h，反应结束后，将改性hnts用大量去离子水和乙醇反复离心水洗，以洗掉未反应完的n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷，水洗结束后将固体物置于真空烘箱中80℃干燥12h，即可得到n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷改性的hnts，记为khnts。

称取0.08g的制得的khnts溶于16.00g的二甲基乙酰胺中，超声处理30min-45min使khnts分散均匀，再加入4.00g的醋酸纤维素，配置成铸膜液，将铸膜液置于带有磁力搅拌恒温水浴锅中，恒温水浴锅的温度为50-60℃，磁力搅拌的时间为10-12h，转速为300-350r/min，空气中静置脱泡的时间为4-6h，用挂膜机涂膜控制湿膜的厚度为250±5um，将湿膜放置于空气中溶剂挥发30-45s，最后将湿膜放入凝固浴去离子水中相分离成膜，膜标记为m2。

膜m2的性能检测结果：

0.20mpa下测试水通量为35.61±1.12l/m²·h，阴离子染料刚果红的截留率为82.70±1.163％，cr⁶⁺的截留率为91.43±1.52％、cu²⁺的截留率为90.60±1.97％、zn²⁺的截留率为87.94±1.18％、cd²⁺的截留率为85.2±1.86％，经过3次循环测试，对含有cu²⁺和刚果红的废水的水通量恢复率由92.41％下降到84.9％。

实施例3

取10.00ghnts加入40.00g质量分数为10％的盐酸当中，25℃的条件下磁力搅拌6h，将酸洗后的hnts用大量去离子水洗涤，离心，直至上清液为中性为止，然后将洗涤之后的hnts放在真空干燥箱里110℃干燥24h得到干燥的hnts；称取3.00g干燥的hnts加入6.00ml的n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷和100ml的甲苯混合溶液中，110℃下回流24h，反应结束后，将改性hnts用大量去离子水和乙醇反复离心水洗，以洗掉未反应完的n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷，水洗结束后将固体物置于真空烘箱中80℃干燥12h，即可得到n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷改性的hnts，记为khnts。

称取0.12g的制得的khnts溶于16.00g的二甲基乙酰胺中，超声处理30min-45min使khnts分散均匀，再加入4.00g的醋酸纤维素，配置成铸膜液，将铸膜液置于带有磁力搅拌恒温水浴锅中，恒温水浴锅的温度为50-60℃，磁力搅拌的时间为10-12h，转速为300-350r/min，空气中静置脱泡的时间为4-6h，用挂膜机涂膜控制湿膜的厚度为250±5um，将湿膜放置于空气中溶剂挥发30-45s，最后将湿膜放入凝固浴去离子水中相分离成膜，膜标记为m3。

膜m3的性能检测结果：

0.20mpa下测试水通量为49.82±2.54l/m²·h，阴离子染料刚果红的截留率为92.13±1.93％，cr⁶⁺的截留率为94.12±2.35％、cu²⁺的截留率为92.34±1.76％、zn²⁺的截留率为89.00±1.06％、cd²⁺的截留率为87.80±2.07％，经过3次循环测试，对含有cu²⁺和刚果红的废水的水通量恢复率由96.84％下降到90.91％。

对比例1

将4.00gca加入到16.00g溶剂dmac中溶解得到质量分数为20％的溶液，恒温水浴锅的温度为50-60℃，磁力搅拌的时间为10-12h，转速为300-350r/min，空气中静置脱泡的时间为4-6h，用挂膜机涂膜控制湿膜的厚度为250±5um，将湿膜放置于空气中溶剂挥发30-45s，最后将湿膜放入凝固浴去离子水中相分离成膜，膜标记为m0。

醋酸纤维素超滤膜m0的性能检测结果：

0.20mpa下测试水通量为14.44±0.58l/m²·h，阴离子染料刚果红的截留率为45.63±3.48％，cr⁶⁺的截留率为79.6±3.15％、cu²⁺的截留率为81.50±1.76％、zn²⁺的截留率为78.12±1.06％、cd²⁺的截留率为76.36±2.07％，经过3次循环测试，对含有cu²⁺和刚果红的废水的水通量恢复率由85.33％下降到78.32％。

分析：本发明方法制备得到的基于埃洛石纳米管醋酸纤维素基的超滤膜的水通量以及水通量恢复率均高于纯醋酸纤维素超滤膜，说明本发明制备的超滤膜的水通量和抗污染效果高于醋酸纤维素超滤膜。

从上述实施例和对比例的测试结果可以看出：

1.实施例1至实施例3所制备得到的用以分离阴离子染料和重金属的醋酸纤维素基超滤膜m1，m2，m3，在0.20mpa下预压到稳定时水通量分别为27.68±2.04l/m²·h、35.61±1.12l/m²·h、49.82±2.54l/m²·h，阴离子染料刚果红的截留率分别为：66.43±1.55％、82.70±1.163％、92.13±1.93％，水通量恢复率分别为87.50％、92.41％、96.84％，经过3次循环测试，水通量恢复率分别下降到81.50％、84.90％、90.91％。其中质量分数为3％的n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷埃洛石纳米管的效果最好，水通量恢复率稳定在91.00％左右。

而从对比例1的醋酸纤维素超滤膜m0的测试结果可以看出：而m0膜的水通量比实施例中m3的水通量小和刚果红的截留率要小，经过多次循环测试m3的水通量下降最小，说明m3的水通量、截留率和抗污染能力均较强，对醋酸纤维素基超滤膜改性较为成功。

2.进一步比较，实施例3、对比例1和两种超滤膜的断面扫描电镜图片和实施例3、实施例2、实施例1以及对比例1对刚果红的截留率分别如图1、图2和图3所示，对比2张sem图片可以发现，图1的皮层厚度比图2和薄，图1的分离层上有多孔和大孔结构，孔隙率较大，而图2的皮层较为致密，基本上为无孔的结构，这主要是因为接枝了n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的洛石纳米管具有较好的亲水性，加入到醋酸纤维素超滤膜体系当中，影响到膜的成孔从而形成多孔结构，水通量明显提高。而对于刚果红的截留率实施例3要明显高于对比例1，这是因为接枝了n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的洛石纳米管表面具有大量的负电荷，可以通过静电排斥作用截留刚果红。