一种耐久性木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合滤膜的制备方法及应用

本发明属于功能膜制造，尤其涉及一种耐久性木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合滤膜的制备方法及应用。

背景技术：

1、目前，水资源问题长期以来一直备受关注。油性生活污水的增加和溢油事故的频繁发生产生了大量油性污水，不仅危害环境和人类健康，也对生态系统产生了极坏的影响，因而实现油性污水的回收利用迫在眉睫。油水分离膜因其高分离效率和操作简单在油性污水处理方面备受关注，但它们也存在成本高、化学要求高和不稳定、不耐久等问题。导电聚合物由于其环境稳定性和低毒性被广泛应用于制备油水分离材料，但其电化学可逆性的特征也往往伴随着在氧化还原过程中掺杂离子的掺杂/脱掺杂从而引起表面组成、浸润性变化等问题，影响油水分离材料的耐久性。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种耐久性木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合滤膜的制备方法及应用。该复合滤膜的制备方案在理论和计算的指导下，实现掺杂剂和聚吡咯在使用过程中的稳定吸附，避免在使用过程中掺杂离子脱掺杂从而改变表面浸润性、影响油水分离性能的问题。本发明所制备的滤膜能够在多次使用后仍保持高效油水分离，表现出良好的耐久性。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种耐久性木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合滤膜的制备方法，以不锈钢网为工作电极、导电金属为对电极、饱和甘汞电极为参比电极，以含吡咯单体和木质素磺酸钠的乙醇/水溶液为电解质溶液，通过电化学法在不锈钢网上沉积木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合膜；

4、所述吡咯单体和木质素磺酸钠的浓度比为(0.1-0.5)∶(0.1-1.0)。

5、进一步地，所述电化学法为恒电流法或恒电位法。

6、进一步地，所述恒电流法的电流密度为3.0-10.0ma/cm2，反应时间为20-90分钟；所述恒电位法的电位为0.7-1.2v，反应时间为20-60分钟。

7、进一步地，所述乙醇/水溶液中乙醇和水的体积比为1∶4。

8、进一步地，所述导电金属为铂片或不锈钢片。

9、本发明所述的制备方法具体是先通过模拟计算确定耐久性复合滤膜的可行性，再设计实验方案，通过调控制备参数获得耐久性木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合滤膜，包括以下步骤：

10、(1)基于密度泛函理论，模拟共轭聚合物中木质素磺酸钠阴离子和聚吡咯链的轨道能，构建聚吡咯和木质素磺酸钠的界面模型，计算不同状态的聚吡咯和木质素磺酸跟间的结合能和原子间距，确定掺杂剂为木质素磺酸钠；

11、所述的界面模型建立在木质素磺酸钠和聚吡咯的初始距离为基础之上，以维持两种成分之间的弱相互作用。6个吡咯单元低聚物和木质素磺酸根的几何结构的电子结构在b3lyp-d3(bj)杂化官能团下以6-31g*基组进行优化，单点能量在相同水平的基础上进行计算。界面的电子结构和能量也在b3lyp-d3(bj)/6-31g*水平上进行；

12、(2)在步骤(1)中所计算的掺杂剂木质素磺酸钠与不同状态聚吡咯链能稳定吸附的基础上，以不锈钢网为工作电极、导电金属为对电极、饱和甘汞电极为参比电极，以含吡咯单体和木质素磺酸钠的乙醇/水溶液为电解质溶液，通过电化学法在不锈钢网上沉积木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合膜。电解质溶液中吡咯单体浓度为0.1-0.5mol/l，木质素磺酸钠浓度为0.1-1.0mol/l，乙醇/水溶液中乙醇和水的体积比为1∶4。

13、进一步地，所述不锈钢网在使用前需经过丙酮超声，乙醇和去离子水清洗去除表面油污。

14、本发明还提供一种所述的耐久性木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合滤膜的制备方法制备得到的耐久性木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合滤膜，木质素磺酸钠均匀掺杂于花椰状聚吡咯颗粒中，得到的耐久性木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合滤膜水下油接触角大于150°。

15、本发明还提供一种所述的耐久性木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合滤膜在油水分离中的应用。

16、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

17、(1)本发明所得聚吡咯复合滤膜具有良好的亲水/水下超疏油性质，并具有优异的自清洁和耐久性，且制备工艺简单，成本低，不含有毒物质，适于广泛推广。

18、(2)本发明所得聚吡咯复合滤膜能够实现高效油水分离，并且在多次循环使用后仍保持较高的效率，分离滤液保持较高纯度，聚吡咯复合滤膜表现出耐久性和稳定性。

19、(3)本发明所得聚吡咯复合滤膜的设计方案是以计算为指导，基于密度泛函理论，模拟复合滤膜中掺杂剂木质素磺酸钠和聚吡咯主链的轨道能，构建聚吡咯和木质素磺酸钠的界面模型，以此计算结合能和原子间距。在确定掺杂剂木质素磺酸钠与聚吡咯在氧化还原过程中全程有效吸附的基础上，通过电化学方法掺杂木质素磺酸钠制备聚吡咯复合滤膜。以此，避免掺杂剂在使用过程中脱掺杂，从而改变复合滤膜的结构、组成和浸润性，从而影响复合滤膜的油水分离性能，使复合滤膜保持稳定性和耐久性。

技术特征：

1.一种耐久性木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合滤膜的制备方法，其特征在于，以不锈钢网为工作电极、导电金属为对电极、饱和甘汞电极为参比电极，以含吡咯单体和木质素磺酸钠的乙醇/水溶液为电解质溶液，通过电化学法在不锈钢网上沉积木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合膜；

2.根据权利要求1所述的耐久性木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合滤膜的制备方法，其特征在于，所述电化学法为恒电流法或恒电位法。

3.根据权利要求2所述的耐久性木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合滤膜的制备方法，其特征在于，所述恒电流法的电流密度为3.0-10.0ma/cm2，反应时间为20-90分钟；所述恒电位法的电位为0.7-1.2v，反应时间为20-60分钟。

4.根据权利要求1所述的耐久性木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合滤膜的制备方法，其特征在于，所述乙醇/水溶液中乙醇和水的体积比为1∶4。

5.根据权利要求1所述的耐久性木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合滤膜的制备方法，其特征在于，所述导电金属为铂片或不锈钢片。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的耐久性木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合滤膜的制备方法制备得到的耐久性木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合滤膜，其特征在于，木质素磺酸钠均匀掺杂于花椰状聚吡咯颗粒中，得到的耐久性木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合滤膜水下油接触角大于150°。

7.一种如权利要求6所述的耐久性木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合滤膜在油水分离中的应用。

技术总结
本发明公开了一种耐久性木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合滤膜的制备方法及应用，所述方法为：(1)通过密度泛函理论模拟计算不同状态(氧化态和还原态)聚吡咯链和掺杂阴离子(木质素磺酸根)间的结合能和原子间距，确定掺杂剂木质素磺酸钠在掺杂过程中与聚吡咯链的稳定吸附；(2)以计算结果为指导，设计实验方案，通过电化学氧化法在不锈钢网上沉积木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合膜，制备耐久性复合滤膜。本发明所制备的木质素磺酸钠掺杂聚吡咯复合滤膜具有超亲水/水下超疏油性质，能够实现对油/水、溶剂/水的分离；掺杂剂木质素磺酸钠与聚吡咯链的稳定吸附使复合滤膜在使用过程中保持耐久性，在70次循环使用后仍保持高通量、高效率。

技术研发人员：陈纳,朱本峰,卫国英,刘梦琰,杨雨萌
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/8