一种制备复合纳滤膜的方法和装置与流程

本发明涉及材料科学领域，特别是涉及一种基于改良界面聚合反应法制备ptfe-pva复合纳滤膜的方法和装置。

背景技术：

纳滤(nanofiltration，nf)膜是一种新型的压力驱动膜，其截留性能介于超滤(ultrafiltration，uf)和反渗透(reverseosmosis，ro)膜之间，其功能层的孔径在0.2～2nm，截留分子量在200～1000，它对高价盐及分子量超过500的有机化合物有较高的脱除率，对单价无机盐离子截留率较低。相比超滤膜较大的截留分子量及反渗透膜较高的投资成本，纳滤膜在分离二价、高价无机盐和分子量为数百的有机物方面有很大优势。作为一种新型的膜分离技术，纳滤技术己受到人们的广泛关注，在纯水制备、饮用水净化、废水处理、中水回用、海水淡化等水处理领域中得到广泛应用。同时，它在抗生素、氨基酸、多肽、蛋白质等生化产品的分级与浓缩、食品生产加工等领域展现着自己独特的魅力，己成为膜技术的研究中最活跃的方向之一。

在压力驱动膜系列中，nf膜的分离层在结构上比ro疏松，比uf和微滤(microfiltration，mf)膜致密。调节膜分离层的疏松程度，使膜的孔径在纳米级别，即制得了纳滤膜。目前，制备纳滤膜的主要方法可分为相转化法(tips&nips)和界面聚合反应法(ip)。其中，相转化法的过程为通过控制一定的条件，使聚合物溶液逐渐固化，这一过程中伴随着单一液相转化为两个不能互溶的液相，继而发生相分离成膜。常规相转化法包括热沉淀、控制蒸发沉淀、溶剂蒸发、蒸气相沉淀和浸没沉淀等方法。常规相转化法制备的膜为单层膜，结构分为对称和非对称。复合膜的构造一般由作用不同的多层膜复合而成，其中最上面一层是很薄的功能层，其出现在膜技术发展史上的一个巨大突破。制备复合膜时，可根据实际情况灵活选择复合膜的皮层、亚皮层以及功能层，最终制备出的复合膜在各方面性能均达到最优，如选择性、渗透性、抗污染性、化学和热稳定性。目前商业化的nf、ro膜大多数是复合膜。目前全球范围内商品ro(nf)膜制备最常用的技术手段是采用界面聚合反应，在uf基膜上界面聚合反应生成聚酰胺活性分离层。

界面聚合反应法的基本原理是：利用两种反应活性很高的单体，在两个互不相溶的液相界面进行聚合反应，产生活性分离层。采用界面聚合反应法制备复合膜，通常步骤是先将支撑体(uf或者mf膜)浸入到含有一定浓度活性单体的水相溶液(一般为胺类)中，浸泡一定时间后取出；待沥干后，浸入到另一活性单体的油相溶液(通常为酰氯)，使两种活性单体(胺和酰氯)在水相和油相界面处发生缩聚反应，即可得到聚酰胺nf(ro)复合膜。为了使反应充分进行，有较好的交联度，界面聚合后还要进行一定的处理。由于界面聚合形成的初级膜对膜两侧分子的扩散有一定影响，阻碍了聚合反应的继续进行，因此制得的复合膜的活性分离层厚度有一定限制，一般为小于50nm的薄膜。

由于常规界面聚合反应法的步骤是先将支撑体进入到水相溶液中，这对支撑体的亲水性有一定限制，通常能成功浸入界面聚合反应的支撑体的表面接触角须为50～80°，为亲水材料。由于疏水支撑体很难在水相单体中彻底浸润，因此很难采用界面聚合反应法在疏水支撑体上生成聚酰胺活性分离层，也很少有研究采用疏水支撑体进行界面聚合反应制备nf复合膜。

鉴于疏水支撑体在特殊领域，如油水分离、蛋白质浓缩等的应用需求，因此，实有必要提出一种技术手段，以实现采用疏水支撑体进行界面聚合反应制备复合纳滤膜。

技术实现要素：

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种制备复合纳滤膜的方法和装置，以采用反向界面聚合反应法或者添加剂辅助界面聚合反应法，在疏水ptfe/pva纳米纤维基膜上成功生成小于50nm的聚酰胺活性分离层，最终制备出ptfe/pva复合纳滤膜。

为达上述及其它目的，本发明提出一种制备复合纳滤膜的方法，包括如下步骤：

步骤一，选择一疏水支撑体作为纳滤膜的基膜；

步骤二，采用反向界面聚合反应法，将所选择的基膜置于油相单体中浸润；

步骤三，将彻底浸润后的基膜置于水相单体中反应；

步骤四，将反应后的基膜进行热反应，最终制得复合纳滤膜。

优选地，于步骤一中，依据纤维直径、表面元素含量、接触角结构参数，选择疏水ptfe/pva纳米纤维膜作为纳滤膜的基膜。

优选地，于步骤二中，采用反向界面聚合反应法，将疏水ptfe/pva纳米纤维膜置于均苯三甲酰氯含量为0.1～50wt.％的正己烷溶液中浸润0.5～600秒。

优选地，于步骤三中，将彻底浸润后的疏水ptfe/pva纳米纤维膜置于置于间苯二胺含量为0.1～50wt.％的水溶液中反应0.1～600秒。

优选地，于步骤四中，将反应后的ptfe/pva纳米纤维膜置于25～200℃的烘箱中热反应0.1～600分钟，最终制得ptfe/pva复合纳滤膜。

为达到上述目的，本发明还提供一种制备复合纳滤膜的装置，包括：

基膜选择单元，用于选择一疏水支撑体作为纳滤膜的基膜；

油相单体浸润单元，用于采用反向界面聚合反应法，将所选择的基膜置于油相单体中浸润；

水相单体反应单元，用于将彻底浸润后的基膜置于水相单体中反应；

热反应单元，用于将反应后的基膜进行热反应，最终制得复合纳滤膜。

为达到上述目的，本发明还提供一种制备复合纳滤膜的方法，包括：

步骤一，选择一疏水支撑体作为纳滤膜的基膜；

步骤二，采用添加剂辅助界面聚合反应法，将所选择的基膜置于水相单体中浸润；

步骤三，将彻底浸润后的基膜置于油相单体中反应；

步骤四，将反应后的基膜进行热反应，最终制得复合纳滤膜。

优选地，于步骤二中，所述水相单体中的添加剂为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、丙三醇、叔戊醇、四甘醇、叔丁醇、氯化钠、氯化镁、硫酸钠、硫酸镁、氯化锂中的一种或几种，所述水相单体中的苯二胺含量为0.1～50wt.％，所述水相单体中的添加剂的含量为1～100wt.％。

优选地，于步骤三中，将彻底浸润后的基膜置于均苯三甲酰氯含量为0.1～50％的正己烷溶液中反应0.1～600秒。

为达到上述目的，本发明还提供一种制备复合纳滤膜的装置，包括：

基膜选择单元，用于选择一疏水支撑体作为纳滤膜的基膜；

水相单体浸润单元，用于采用添加剂辅助界面聚合反应法，将所选择的基膜置于水相单体中浸润；

油相单体反应单元，用于将彻底浸润后的基膜置于油相单体中反应；

热反应单元，用于将反应后的基膜进行热反应，最终制得复合纳滤膜。

与现有技术相比，本发明一种制备复合纳滤膜的方法和装置对常规界面聚合反应改良，采用反向界面聚合反应法或者添加剂辅助界面聚合反应法，在疏水ptfe/pva纳米纤维基膜上成功生成小于50nm的聚酰胺活性分离层，最终制备出ptfe/pva复合纳滤膜，本发明可应用于饮用水(地表水/地下水)深度处理、海水和苦咸水淡化、污水深度处理、生物医药、食品和饮料等领域。

附图说明

图1为本发明第一实施例一种制备复合纳滤膜的方法的步骤流程图；

图2为本发明第二实施例一种制备复合纳滤膜的装置的系统架构图；

图3为本发明第三实施例一种制备复合纳滤膜的方法的步骤流程图；

图4为本发明第四实施例一种制备复合纳滤膜的装置的系统架构图；

图5为本发明实施例中实验结果示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明第一实施例一种制备复合纳滤膜的方法的步骤流程图。如图1所示，本发明一种制备复合纳滤膜的方法，包括如下步骤：

步骤101，选择一疏水支撑体作为纳滤膜的基膜以便进行后续的反向界面聚合反应。具体地说，依据纤维直径、表面元素含量、接触角等结构参数，优选疏水ptfe/pva纳米纤维膜作为纳滤膜的基膜，以进行反向界面聚合反应，但本发明不以此为限。

在本发明具体实施例中，优选疏水ptfe/pva纳米纤维膜基膜的纤维直径为：10～1000nm，其表面元素含量为：c5～90wt.％，o1～90wt.％，f1～99wt.％，优选疏水ptfe/pva纳米纤维膜基膜的接触角为：90°～180°。也就是说，依据10～1000nm纤维直径、表面元素含量以及90°～180°接触角等结构参数，优选疏水ptfe/pva纳米纤维膜作为纳滤膜的基膜，分别进行反向界面聚合反应和添加剂辅助界面聚合反应。

步骤102，采用反向界面聚合反应法，将基膜置于油相单体中浸润。在本发明具体实施例中，采用反向界面聚合反应法，将疏水ptfe/pva纳米纤维膜置于含均苯三甲酰氯(tmc)的正己烷溶液(油相单体)中浸润。

具体地说，于步骤102中，采用反向界面聚合反应法，将疏水ptfe/pva纳米纤维膜置于均苯三甲酰氯(tmc)含量为0.1～50wt.％的正己烷溶液(油相单体)中浸润0.5～600秒。

步骤103，将彻底浸润后的基膜置于水相单体中反应。在本发明具体实施例中，将彻底浸润后的疏水ptfe/pva纳米纤维膜置于间苯二胺(mpd)水溶液(水相单体)中反应。

具体地说，于步骤103中，将彻底浸润后的疏水ptfe/pva纳米纤维膜置于间苯二胺(mpd)含量为0.1～50wt.％的水溶液(水相单体)中反应0.1～600秒。

步骤104，将反应后的基膜进行热反应，最终制得复合纳滤膜。在本发明具体实施例中，将反应后的ptfe/pva纳滤膜置于恒温烘箱中热反应，最终制得ptfe/pva复合纳滤膜。

具体地说，于步骤104中，将反应后的ptfe/pva纳滤膜置于25～200℃恒温烘箱中热反应0.1～600分钟，最终制得ptfe/pva复合纳滤膜。

图2为本发明第二实施例一种制备复合纳滤膜的装置的系统架构图。如图2所示，本发明一种制备复合纳滤膜的装置，包括：

基膜选择单元201，用于选择一疏水支撑体作为纳滤膜的基膜以便进行后续的反向界面聚合反应。具体地说，依据纤维直径、表面元素含量、接触角等结构参数，优选疏水ptfe/pva纳米纤维膜作为纳滤膜的基膜，进行反向界面聚合反应。

在本发明具体实施例中，优选疏水ptfe/pva纳米纤维膜基膜的纤维直径为：10～1000nm，其表面元素含量为：c5～90wt.％，o1～90wt.％，f1～99wt.％，优选疏水ptfe/pva纳米纤维膜基膜的接触角为：90°～180°。也就是说，依据10～1000nm纤维直径、表面元素含量以及90°～180°接触角等结构参数，优选疏水ptfe/pva纳米纤维膜作为纳滤膜的基膜，分别进行反向界面聚合反应和添加剂辅助界面聚合反应。

油相单体浸润单元202，用于采用反向界面聚合反应法，将基膜置于油相单体中浸润。在本发明具体实施例中，采用反向界面聚合反应法，将疏水ptfe/pva纳米纤维膜置于含均苯三甲酰氯(tmc)的正己烷溶液(油相单体)中浸润。

具体地说，油相单体浸润单元202采用反向界面聚合反应法，将疏水ptfe/pva纳米纤维膜置于均苯三甲酰氯(tmc)含量为0.1～50wt.％的正己烷溶液(油相单体)中浸润0.5～600秒。

水相单体反应单元203，用于将彻底浸润后的基膜置于水相单体中反应。在本发明具体实施例中，将彻底浸润后的疏水ptfe/pva纳米纤维膜置于间苯二胺(mpd)水溶液(水相单体)中反应。

具体地说，水相单体反应单元203将彻底浸润后的疏水ptfe/pva纳米纤维膜置于间苯二胺(mpd)含量为0.1～50wt.％的水溶液(水相单体)中反应0.1～600秒。

热反应单元204，用于将反应后的基膜进行热反应，最终制得复合纳滤膜。在本发明具体实施例中，将反应后的ptfe/pva纳滤膜置于恒温烘箱中热反应，最终制得ptfe/pva复合纳滤膜。

具体地说，热反应单元204将反应后的ptfe/pva纳滤膜置于25～200℃恒温烘箱中热反应0.1～600分钟，最终制得ptfe/pva复合纳滤膜

图3为本发明第三实施例一种制备复合纳滤膜的方法的步骤流程图。如图3所示，本发明一种制备复合纳滤膜的方法，包括如下步骤：

步骤301，选择一疏水支撑体作为纳滤膜的基膜以便进行后续的添加剂辅助界面聚合反应。具体地说，依据纤维直径、表面元素含量、接触角等结构参数，优选疏水ptfe/pva纳米纤维膜作为纳滤膜的基膜，以进行添加剂辅助界面聚合反应。

在本发明具体实施例中，优选疏水ptfe/pva纳米纤维膜基膜的纤维直径为：10～1000nm，其表面元素含量为：c5～90wt.％，o1～90wt.％，f1～99wt.％，优选疏水ptfe/pva纳米纤维膜基膜的接触角为：90°～180°。也就是说，依据10～1000nm纤维直径、表面元素含量以及90°～180°接触角等结构参数，优选疏水ptfe/pva纳米纤维膜作为纳滤膜的基膜，以进行添加剂辅助界面聚合反应。

步骤302，采用添加剂辅助界面聚合反应法，将基膜置于水相单体中浸润。具体地说，于步骤302中，采用添加剂辅助界面聚合反应法，将疏水ptfe/pva纳米纤维膜置于含添加剂的苯二胺(mpd)的水溶液(水相单体)中浸润，在本发明具体实施例中，所述水相单体中的添加剂为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、丙三醇、叔戊醇、四甘醇、叔丁醇、氯化钠、氯化镁、硫酸钠、硫酸镁、氯化锂中的一种或几种，所述水相单体中的mpd含量为0.1～50wt.％，所述水相单体中的添加剂的含量为1～100wt.％。

步骤303，将彻底浸润后的基膜置于油相单体中反应。具体地说，将彻底浸润后的疏水ptfe/pva纳米纤维膜置于含均苯三甲酰氯(tmc)的正己烷溶液(油相单体)中反应。在本发明具体实施例中，将彻底浸润后的疏水ptfe/pva纳米纤维膜置于含均苯三甲酰氯(tmc)0.1～50％的正己烷溶液(油相单体)中反应0.1～600秒；

步骤304，将反应后的基膜进行热反应，最终制得复合纳滤膜。在本发明具体实施例中，将反应后的ptfe/pva纳滤膜置于25～200℃恒温烘箱中热反应0.1～600分钟，最终制得ptfe/pva复合纳滤膜。

图4为本发明第四实施例一种制备复合纳滤膜的装置的系统架构图。如图4所示，本发明一种制备复合纳滤膜的装置，包括：

基膜选择单元401，用于选择一疏水支撑体作为纳滤膜的基膜以便进行后续的添加剂辅助界面聚合反应。具体地说，依据纤维直径、表面元素含量、接触角等结构参数，优选疏水ptfe/pva纳米纤维膜作为纳滤膜的基膜，以进行添加剂辅助界面聚合反应。

在本发明具体实施例中，优选疏水ptfe/pva纳米纤维膜基膜的纤维直径为：10～1000nm，其表面元素含量为：c5～90wt.％，o1～90wt.％，f1～99wt.％，优选疏水ptfe/pva纳米纤维膜基膜的接触角为：90°～180°。也就是说，依据10～1000nm纤维直径、表面元素含量以及90°～180°接触角等结构参数，优选疏水ptfe/pva纳米纤维膜作为纳滤膜的基膜，以进行添加剂辅助界面聚合反应。

水相单体浸润单元402，用于采用添加剂辅助界面聚合反应法，将基膜置于水相单体中浸润。具体地说，水相单体浸润单元402采用添加剂辅助界面聚合反应法，将疏水ptfe/pva纳米纤维膜置于含添加剂的苯二胺(mpd)的水溶液(水相单体)中浸润，在本发明具体实施例中，所述水相单体中的添加剂为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、丙三醇、叔戊醇、四甘醇、叔丁醇、氯化钠、氯化镁、硫酸钠、硫酸镁、氯化锂中的一种或几种，所述水相单体中的mpd含量为0.1～50wt.％，所述水相单体中的添加剂的含量为1～100wt.％。

油相单体反应单元403，用于将彻底浸润后的基膜置于油相单体中反应。具体地说，油相单体反应单元403将彻底浸润后的疏水ptfe/pva纳米纤维膜置于含均苯三甲酰氯(tmc)的正己烷溶液(油相单体)中反应。在本发明具体实施例中，油相单体反应单元403将彻底浸润后的疏水ptfe/pva纳米纤维膜置于含均苯三甲酰氯(tmc)0.1～50％的正己烷溶液(油相单体)中反应0.1～600秒；

热反应单元404，用于将反应后的基膜进行热反应，最终制得复合纳滤膜。在本发明具体实施例中，热反应单元404将反应后的ptfe/pva纳滤膜置于25～200℃恒温烘箱中热反应0.1～600分钟，最终制得ptfe/pva复合纳滤膜。

可见，本发明采用反向界面聚合反应法或者添加剂辅助界面聚合反应法，可在疏水ptfe/pva纳米纤维基膜上成功生成小于50nm的聚酰胺活性分离层，最终制备出ptfe/pva复合纳滤膜。

以下将通过具体实施例来进一步说明本发明：

实施例一：反向界面聚合反应法：

步骤(1)，选择纤维直径为296.67±48.48nm、表面元素含量为c：52.80±1.24wt.％，o：28.83±0.82wt.％，f：18.34±2.07wt.％、接触角为155±3°的疏水ptfe(聚四氟乙烯)/pva(聚乙烯醇)纳米纤维膜作为纳滤膜的基膜，进行反向界面聚合反应，如图5(a)中，该ptfe/pva纳米纤维中pva含量为10.0wt.％，图5(b)中该ptfe/pva纳米纤维中pva含量为15.0wt.％

步骤(2)，将疏水ptfe/pva纳米纤维膜置于含量为1.0wt.％均苯三甲酰氯(tmc)的正己烷溶液(油相单体)中浸润30秒。

步骤(3)，将彻底浸润后的疏水ptfe/pva纳米纤维膜置于含量为1.0wt.％的间苯二胺(mpd)水溶液(水相单体)中反应15秒；

步骤(4)，将反应后的ptfe/pva纳滤膜置于60℃恒温烘箱中热反应60分钟，最终制得ptfe/pva复合纳滤膜，如图5(c)所示。

ptfe/pva复合纳滤膜的纯水通量为52±9.0l·m^-2·h^-1，nacl截留率为24±3.2％，mgso4截留率为84±11％，进水中codmn的去除率为70.6±13.1％。

实施例二：添加剂辅助界面聚合反应法：

步骤(1)，选择纤维直径为432.67±52.65nm、表面元素含量为c：44.36±0.15wt.％，o：38.94±0.35wt.％，f：16.71±0.32wt.％、接触角为115±7°的疏水ptfe/pva纳米纤维膜作为纳滤膜的基膜，进行添加剂辅助界面聚合反应；

步骤(2)，采用添加剂乙二醇(40.0wt％)辅助界面聚合反应法，将疏水ptfe/pva纳米纤维膜置于含添加剂的苯二胺(mpd)0.5wt.％的水溶液(水相单体)中浸润15秒。

步骤(3)，将彻底浸润后的疏水ptfe/pva纳米纤维膜置于含均苯三甲酰氯(tmc)1.0wt.％的正己烷溶液(油相单体)中反应30秒；

步骤(4)，将反应后的ptfe/pva纳滤膜置于80℃恒温烘箱中热反应10分钟，最终制得ptfe/pva复合纳滤膜，如图5(d)所示。

ptfe/pva复合纳滤膜的纯水通量为37±5l·m^-2·h^-1，nacl截留率为39±2.6％，mgso4截留率为91±17％，进水中codmn的去除率为82.4±8.4％。

综上所述，本发明一种制备复合纳滤膜的方法和装置通过对常规界面聚合反应改良，采用反向界面聚合反应法或者添加剂辅助界面聚合反应法，在疏水ptfe/pva纳米纤维基膜上成功生成小于50nm的聚酰胺活性分离层，最终制备出ptfe/pva复合纳滤膜，本发明可应用于饮用水(地表水/地下水)深度处理、海水和苦咸水淡化、污水深度处理、生物医药、食品和饮料等领域。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。