1、第43卷第4期2023年8 月膜科学与技术MEMBRANE SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.43No.4Aug.2023PA/PMIA 复合纳滤膜的制备及性能研究张冉1,王磊,司会芳1,李李琳1*,王华华1*,王同华1(1.大连理工大学化工学院,精细化工国家重点实验室,大连市膜材料与膜过程重点实验室,大连116 0 2 4;2.大连理工大学体育与健康学院,大连116 0 2 4)摘要:以聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)为膜材料,LiCI和水为添加剂,N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂,通过相转化法制备PMIA超滤基膜.以哌嗪(PIP)为水相单体,均苯三甲酰氯(TMC)为
2、油相单体,通过界面聚合法制备PA/PMIA复合纳滤膜.考察了单体浓度对复合纳滤膜渗透分离性能的影响,结果表明,当单体浓度增加时,复合纳滤膜的水通量下降,Na2SO4的截留率增大;水相单体PIP质量分数为0.5%,油相单体TMC质量分数为0.0 7%,反应时间为30 s,后处理温度为7 0,后处理时间为3min时,所制备的PA/PMIA复合纳滤膜的水通量为50 8.9L/(m hMPa),Na z SO 4截留率为98.2 4%,酰胺(PA)层厚度为40 nm,接触角为44;PA/PMIA复合纳滤膜在有机溶剂和酸碱中浸泡30 d后,仍保持稳定的NazSO4截留率.关键词:聚间苯二甲酰间苯二胺;界
3、面聚合;纳滤膜;聚酰胺中图分类号:TQ028.8doi:10.16159/ki.issn1007-8924.2023.04.016纳滤膜是在反渗透膜的基础上发展起来的,具有操作压力低、平均孔径小(0.31 nm)、膜表面带有荷电性等特点,被广泛应用于水处理、食品和医药等领域1-2 .在筛分效应和Donnan效应的共同作用下,纳滤膜能有效截留多价离子,透过一价离子,因此纳滤膜在脱盐领域具有较好的应用前景3-41。膜材料是纳滤膜的核心,也是影响纳滤膜渗透分离性能的关键因素,传统的膜材料存在亲水性差、热稳定性差及易在有机溶剂中发生溶胀等问题5-7.因此,需要开发新型的膜材料用于纳滤膜的制备.芳香聚酰
4、胺材料是一种常见的合成纤维,也是文献标志码:A文章编号:10 0 7-8 9 2 4(2 0 2 3)0 4-0 12 9-0 8第二代纳滤膜材料.其中间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)是典型的芳香聚酰胺材料,是由大量的苯环和酰胺键(一CO一NH一)构成的直链型分子(图1).该结构决定了其具有优异的耐热性能和亲水性能,同时PMIA还具有良好的绝缘性和较高的机械强度8-91.因此将PMIA作为纳滤膜材料具有较优的研究前景。纳滤膜的制备方法主要有相转化法、界面聚合法和表面改性法,其中界面聚合法制备的超薄复合膜表现出优良的渗透分离性能,是制备纳滤膜的主流方法之一6 .界面聚合(IP)以相界面聚合原理为收
5、稿日期:2 0 2 2-12-2 5;修改稿收到日期:2 0 2 3-0 2-2 2基金项目:云南中烟工业有限责任公司科技计划项目(2 2 17 0 8 1943);大连理工大学科研创新团队(DUT2021TB03);辽宁省“兴辽英才计划 项目(XLYC1908033);大连市科技局重点领域创新团队支持计划(2 0 19RT10)第一作者简介:张冉(1998-),女,湖北孝感人,硕士生,从事复合纳滤膜孔结构调控。通讯作者,李琳,E-mail:;王华,E-mail:引用本文:张冉,王磊,司会芳,等.PA/PMIA复合纳滤膜的制备及性能研究J膜科学与技术,2 0 2 3,43(4):12 9一13
6、5.Citation:Zhang R,Wang L,Si H F,et al.Preparation and performance study of PA/PMIA composite nanofiltration mem-braneJ.Membrane Science and Technology(Chinese),2023,43(4):129135.130基础,具有反应速率快、反应条件温和等特点10,其具体制备过程是利用两相溶液互不相溶的原理,使反应活性高的水相和油相单体在油相界面处发生界面聚合形成选择分离层11.现有的商业化纳滤膜因存在低渗透性或选择性、在有机溶剂中易发生溶胀、有限的化
7、学稳定性和热稳定性等问题,局限了纳滤膜技术的应用.为提高纳滤渗透性能,Zhang 等12 使用植酸十二钠(PADS)作为添加剂来调节IP过程,制备了一系列高性能的PA-PADS纳滤膜.Hao等13 通过调控水相单体胺的反应性和扩散速率,制备了具有致密且超薄酰胺(PA)层的复合纳滤膜.本文通过相转化法制备PMIA超滤基膜,调控界面聚合单体浓度,制备了高通量、高截留率和耐溶胀的PA/PMIA复合纳滤膜,旨在提供新型的脱盐纳滤膜材料和可供参考的纳滤膜制备工艺.H0Jn图1PMIA分子结构Fig.1 PMIA molecular structure1实实验部分1.1实实验原料与试剂PMIA,烟台泰和新
8、材料股份有限公司;氯化锂(LiCI),分析纯,天津市福晨化学试剂厂;葡聚糖(DT,Mw=1.5105、2.0 10 5),分析纯,阿拉丁试剂上海有限公司;均苯三甲酰氯(TMC)、哌嗪(PIP),分析纯,阿拉丁化学试剂公司;硫酸钠(Na z SO 4)、硫酸镁(MgSO4),分析纯,西陇化工股份有限公司;氯化钠(NaCI)、氯化镁(MgCl)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc),分析纯,天津市大茂化工试剂厂;正已烷、乙醇、丙酮、甲苯、乙酸乙酯、氢氧化钠、浓盐酸,分析纯,天津市富宇精细化工有限公司.HNNH+膜科学与技术1.2PMIA超滤膜的制备将一定比例 PMIA、LiC l和水溶解在 DMAc
9、中搅拌6 h得到铸膜液,静置12 h,真空脱泡5min,最后利用相转化法得到超滤基膜,并保存于2 0 去离子水中。1.3PMIA超滤膜渗透分离性能测试所有PMIA超滤膜均由死端过滤装置进行测试,膜池直径为45mm.向膜池中加人一定体积的原料液,堵塞端口并连接氮气气路.所有超滤膜均先在0.15MPa压力下预压152 0 min,待其通量达到稳定后,再将压力降至0.1MPa来测试其水通量及截留率.水通量按式(1)进行计算.(1)式中:F为水通量,L/(mhMPa);p为测试压力,MPa;Q为原料液透过的体积,L;A为膜的有效H面积,m;t为操作时间,h.配制质量浓度为1g/L的葡聚糖溶液作为原料0
10、液进行膜截留率测试,测试结束后通过溶液浊度近似计算原料液和渗透液的浓度.超滤膜截留率由式(2)进行计算.R=(1-)X100%式中:R为截留率,%;Cp为渗透液的质量浓度,g/L;C为进料液的质量浓度,g/L.1.4PA/PMIA复合纳滤膜的制备将基膜剪成12 cmX12cm的正方形膜片并固定在反应容器内,空气吹扫膜表面至无水滴状态,加40mLPIP-水溶液,浸没3min后倒出,继续用空气吹扫基膜表面至无水滴,倒人40 mLTMC-正已烷溶液,PIP和TMC在油相溶液界面处发生反应(图2),30 s后除去基膜表面的TMC-正已烷溶液,自然挥发1min,在7 0 下热处理3min,基膜表面形成致
11、密且薄的聚哌嗪酰胺(PA)分离层得到复合纳滤膜。CIOC.COCI第43卷QF=AtpHN(2)COCIHO图2 界面聚合反应Fig.2 Interfacial polymerization reaction一m第4期1.5PA/PMIA复合纳滤膜结构的表征膜的亲水性能通过JC2000D型接触角测试仪表征.膜在6 0 真空干燥8 h后得到干膜,将干膜剪成固定大小(1cm1cm)后平整的粘在载玻片上进行水接触角测试。膜的微观结构通过QUANTA450型环境扫描电子显微镜(SEM)表征.干膜经过液氮淬断和表面喷金处理后,通过SEM表征膜的微观结构.膜的表面粗糙程度通过JPKNanowizard4X
12、P型原子力显微镜表征,测试结束后计算膜的平均粗糙度(Ra),均方根粗糙度(Rms).1.6PA/PMIA复合纳滤膜渗透分离性能测试膜在0.5MPa下预压30 min后,水通量达到稳定,调整测试压力为0.4MPa后测试膜的水通量和不同盐溶液的截留情况.膜的水通量用式(1)计分别配制质量浓度为1g/L的不同无机盐(Na2SO4、Na Cl、M g SO 4、M g Cl 2)溶液,并将该无机盐溶液作为原料液进行膜的截留性能实验,根据式(2)计算膜对不同盐溶液的截留率,盐溶液的无机盐浓度可用电导率近似表示14.1.7PA/PMIA复合纳滤膜耐溶胀性能测试1.7.1PA/PMIA复合纳滤膜的质量变化用
13、膜在不同溶剂中浸泡后膜的质量变化来表示其溶胀率.将干膜剪成直径为3.5cm的圆片,用天平称量其质量m1,然后将干膜分别浸泡在2 5mL不同溶液(表1)中30 d,30d后取出膜并用去离子水清洗膜表面后用6 0 真空烘箱干燥8 h,称量其质量m,根据式(3)计算膜的溶胀率WE81.W=mm2100%m11.7.2PA/PMIA复合纳滤膜渗透分离性能的变化取出浸泡于不同溶剂中的复合纳滤膜,用去离子水冲洗膜表面后测试不同复合纳滤膜的渗透分离性能,得到PMIA复合纳滤膜对不同溶剂的耐受程度.2结果与讨论2.1PMIA超滤膜渗透分离性能根据浊点滴定实验15,固定PMIA质量分数为10%,水质量分数为8.
14、4%时,考察了LiCl浓度对PMIA超滤膜渗透分离性能的影响.如图3所示,随张冉等:PA/PMIA复合纳滤膜的制备及性能研究一截留率(150 0 0 0)50008.08.2 8.48.68.89.0氯化锂质量分数/%图3LiCI浓度对PMIA超滤膜渗透分离性能的影响Fig.3Effect of LiCl concentration on separationperformance of PMIA ultrafiltration membrane2.2界面聚合单体浓度对PA/PMIA复合纳滤膜渗透分离性能的影响2.2.1PIP浓度对PA/PMIA复合纳滤膜渗透分离性能的影响单体浓度通过影响复合
15、纳滤膜分离层的结构进而影响复合纳滤膜的渗透分离性能.以MO为基膜,PIP为水相单体,TMC为油相单体,固定界面聚合(3)法制备PA/PMIA复合纳滤膜的其他工艺参数(PIP-水溶液浸没时间3min、油相单体TMC质量分数为0.1%、反应时间30 s、热处理温度和时间分别为7 0 和3min),考察了活性单体浓度对PA/PMIA复合纳滤膜渗透分离性能的影响.如图4所示,随PIP浓度的增加,PA/PMIA复合纳滤膜的水通量出现大幅度下降后趋于平稳,对Na2SO4的截留率保持在9 0%以上并小幅度增加.在较低PIP的浓度条件下,PIP分子在基膜表面分布较少且不均匀;当与油相溶液接触时,虽然PIP分子
16、扩散阻力减小,但较低浓度下扩散进入油相溶液中的PIP分子较少.界面聚合反应后,PA/PMIA复合纳滤膜表面的分离层较薄且疏松,膜的水通量131LiCI浓度的增加,PMIA超滤基膜的水通量下降;对相对分子质量2 0 0 0 0 0、150 0 0 0 的DT截留率逐渐增加.这是由于随着 LiCl 浓度的增加,LiCl 中的Li与DMAc中的羰基通过离子-偶极这种强相互作用形成络合结构,增加了DMAc的绝对黏度,从而使得铸膜液黏度增加16 ,PMIA超滤膜的皮层增厚,水通量下降,截留率增加.当LiCl质量分数为8.4%时,PMIA超滤膜(MO膜)水通量为9413.5L/(mhMPa),对2 0 0
17、 0 0 0 的DT截留率为91%.11 00010 0009 000F800070006 00010080%/率蛋巢6040截留率(2 0 0 0 0 0)豆200132较高.当PIP质量分数增加到2%时,膜的水通量降低,Na2SO4 的截留率增大.随PIP浓度增加,油相与水相单体界面聚合度增加,制备的PA层致密且变厚,水通量逐渐降低,对Na2SO4 的截留率增加.当PIP浓度继续增加时,膜的水通量和Na2SO4的截留率趋于稳定,这是因为当PIP与 TMC反应达到一定程度时,致密PA层达到一定厚度,反应就会停滞而出现“自抑性”现象,致密的PA层会阻止PIP向油相溶液中进一步的扩散,从而造成界
18、面聚合反应的结束10 1.根据不同PIP浓度下PA/PMIA复合纳滤膜渗透分离性能的变化趋势发现,低浓度反应单体形成的分离层较薄,分离层结构更为疏散,膜的水通量较高,选择性较低;反应单体浓度较高时,界面聚合形成的分离层厚度增加且分离层结构变得更加致密,膜的水通量具有优异的选择性7.17 。当PIP的质量分数为0.5%时,PA/PMIA复合纳滤膜能保持较高的水通量415.3L/(m hMPa),同时取得较高的Na2SO4截留率(98.33%).6005004003002001000.2图4水相单体浓度对PA/PMIA复合纳滤膜渗透分离性能的影响Fig.4Effect of aqueous mon
19、omer concentration onpercolation and separation performance of PA/PMIA2.2.2TMC浓度对PA/PMIA复合纳滤膜渗透分离性能的影响除了PIP浓度对PA/PMIA复合纳滤膜的结构和分离性能有重要影响外,TMC浓度也能决定PA/PMIA复合纳滤膜的分离层结构和分离性能.根据2.2.1中膜的渗透分离性能变化趋势,固定水相单体PIP质量分数为0.5%,考察了TMC浓度对PA/PMIA复合纳滤膜渗透分离性能的影响.图5为不同TMC浓度下PA/PMIA复合纳滤膜科学与技术膜的水通量和Na2SO4截留率的变化趋势.随着TMC浓度的增加
20、,膜的水通量急剧下降,对Na2SO4的截留率稳定在9 5%且略有增加.在较低油相单体浓度下,根据反应动力学原理,此时反应速率较慢,反应不充分,界面聚合形成的PA分离层在基膜表面分布不均匀,形成的PA分离层致密度低,原料液透过纳滤膜的阻力小,膜的水通量较高.当TMC浓度进一步提高时,TMC-正已烷与PIP-水溶液界面处发生反应的单体浓度增加,反应速率增加,界面聚合形成的PA分离层更加致密,分离层的厚度有所增加,进而提高了原料液的透过阻力,水通量急剧下降.根据两种单体浓度对PA/PMIA复合纳滤膜渗透分离性能的影响可发现,PIP质量分数为0.5%,TMC质量分数为0.1%(以下称为最佳浓度条件)时
21、,PA/PMIA复合纳滤膜(M1膜)能达到508.9L/(m hMPa)的水通量,同时取得98.24%的Na2SO4截留率.商品纳滤膜的水渗透通量一般在50 2 0 0 L/(mhMPa)之间18 ,比较现有的两种酰胺类商品化纳滤膜NF90191渗透通量2 2 0.5L/(mhMPa)、Na z SO 4截留率99%100和NF20720渗透通量353.7 L/(m hMPa)、80Na2SO4截留率98%的渗透分离性能发现,M1膜保持较高盐截留率的同时能取得高的渗透通量,其60渗透分离性能处于现有的商品化纳滤膜渗透分离性40能的上游水平.2070006000.61.0水相单体质量分数/%na
22、nofiltration membrane第43卷1001.41.82.28050060400403002001000.040.06 0.080.10 0.12 0.14 0.16油相单体质量分数/%图5油相单体浓度对PA/PMIA复合纳滤膜渗透分离性能的影响Fig.5 Effect of oil phase monomer concentrationon percolation and separation performance ofPA/PMIA nanofiltration membrane2.3PA/PMIA复合纳滤膜微观形貌和亲水性能2.3.1PA/PMIA复合纳滤膜的微观形貌图6
23、 为MO膜和M1膜表面、断面结构和表面200第4期粗糙程度对比图.由图6 可以看出,由于M1膜表面PA层的存在,表面出现均匀的粒状凸起结构,其表面较MO膜表面更加致密.观察MO膜断面结构发现,超滤基膜断面存在疏松的海绵状孔结构,无明显的分离层结构,M1膜的断面结构显示在基膜表面覆盖了一层厚度为40 nm的分离层.对比M1膜的AFM图,MO膜表面无明显的凸起结构,M1膜表面存在复合纳滤膜特有的“峰谷”结构.通过软件计算发现,M1膜较Mo膜的粗糙度增加了2.2 1 nm(平均粗糙度,Ra)和3.2 1nm(均方根粗糙度,Rms).通过SEM和AFM表征发现,在MO膜表面成功制备了PA分离层,得到了
24、PA/PMIA复合纳滤膜.表面500nmPMIA断面PMIA1000400X:nmY:nm800Z:nm图6 PMIA超滤基膜及PA/PMIA复合纳滤膜的表面、断面结构和表面粗糙度Fig.6Surface and sectional structure and surfaceroughness of PMIA ultrafiltration base membraneand PA/PMIA nanofiltration membrane2.3.2PA/PMIA复合纳滤膜亲水性能的表征通过测量6 0 s内MO膜和M1膜接触角的变化情况来反映膜的亲水性能,结果如图7 所示.由图7可以看出,2 0
25、s之后,两种膜的接触角趋于稳定,MO膜的接触角和M1膜的接触角稳定在6 3和44在反应过程中,两相单体反应不完全,TMC中未参与张冉等:PA/PMIA复合纳滤膜的制备及性能研究1020304050 60时间/s表面图7 PMIA超滤基膜和PA/PMIA复合纳滤膜的6 0 s内Fig.7Variation curve of water contact angle in 60 s ofPMIA ultrafiltration-based membrane and PA/PMIA500nm2.4PA/PMIA复合纳滤膜对不同无机盐的截留PA-PMIA效果断面图8 为M1膜对不同无机盐溶液的截留情况.
26、M1膜对不同无机盐溶液的截留率顺序为Na2SO440nmMgSO4MgCl,NaCl;进一步观察发现 M1 膜对阴离子的截留率顺序为 SO-CI-.基于纳滤膜分离机理,荷电膜的脱盐机理多用Donnan平衡模500nm500nmPA-PMIARa=1.44 nmRms=1.74 nm0250500750133反应的一COCI一会水解生成亲水基团一COOH分布在M1膜的表面2 1.因此,M1 膜的接触角小于MO膜的接触角,M1膜的亲水性能增加.6560(。/电555045400水接触角的变化nanofiltration membrane型解释,同性离子受到膜表面的静电排斥从而被截留,离子价态越高,
27、这种静电排斥作用就越强烈2 2 .Ra=3.65 nm100Rm=4.95 nm400250X:nm500Y:nm800Z:nmPMIAPA-PMIAM1膜表面电荷为负电.1009080%/率愚巢750706050403020100Na,SO4MgSO4MgCl2图8 PA/PMIA复合纳滤膜对不同无机盐的截留率Fig.8 Interception of different inorganic salts byPA/PMIA nanofiltration membrane2.5PA/PMIA复合纳滤膜在溶剂中的长期浸泡测试表1给出了PMIA超滤基膜MO及PA/PMIA90%50%90%MgSO
28、4MgCl2NaCl,膜表面电荷为负电。膜科学与技术化率均小于5%.根据溶胀变化,进一步测试了M1膜的分离性能变化,发现M1膜的水通量增加,Na2SO4截留率小幅度降低.有机溶剂和酸碱的长期浸泡实验表明,PA/PMIA复合纳滤膜在部分有机溶剂和酸碱中长时间浸泡后能保持稳定的渗透分离性能.纳滤膜溶胀率/%通量变化率/%一3.9 24.47-1.102.01一3.125.32-3.903.44一3.0 02.75一2.414.17-2.373.44)PM I A 超滤基膜和PA/PMIA复合纳滤膜在无水乙醇中的溶胀率最低,在强溶剂(丙酮、乙酸乙酯)中的溶胀率较高,且两种膜整体的溶胀变化率均小于5%
29、.PA/PMIA复合纳滤膜在部分有机溶剂、酸和碱中的长期浸泡后能保持稳定的渗透分离性能.参考文献:1 Mamba F B,Mbuli B S,Ramontja J.Recent advancesin biopolymeric membranes towards the removal of e-merging organic pollutants from waterJ.Membranes(Basel),2021,11(11):798.2史乐,刘四华,厍景国,等。新型分盐纳滤膜的制备与表征J.膜科学与技术,2 0 2 1,41(4):1一7.3任元丹,蒋元力,张婕,等新型耐溶剂纳滤膜的性能表征
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36、g,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China;2.School of Kinesiology and Health Promotion,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)Abstract:PMIA ultrafiltration basement membrane was prepared by phase conversion usingpolyisophthaloyl-m-phenylenediamine(PMIA)as membrane material,L
37、iCl and H,O as non-solventadditives,and N,N-dimethylacetamide(DMAc)as solvent.PA/PMIA composite nanofiltration membranewas prepared by interfacial polymerization with piperazine(PIP)a s a q u e o u s mo n o me r a n dbenzenetricarbonyl chloride(TMC)as oil-phase monomer.The effect of monomer concentr
38、ation on thepermeation and separation performance of composite nanofiltration membrane was investigated.It wasshown that when the monomer concentration increased,the water flux of the membrane decreased and the(下转第158 页)张冉等:PA/PMIA复合纳滤膜的制备及性能研究38(4):49-55.16 Ma Y X,Shi F M,Wu M N,et al.Effect of add
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43、ology Equipment(Changzhou)Co.,Ltd,Changzhou 2213011,China)Abstract:At present,the concentrated liquid of household garbage filtration membrane mainly uses dishand tube reverse osmosis(DTRO)membrane for reduction treatment,but this technology has a series ofproblems such as high investment cost,easy
44、leakage in operation process and tedious maintenance.Inorder to solve this problem,a complete set of ultra-high pressure roll-type reverse osmosis equipment forthe treatment of leachate membrane concentrate was creatively designed,which provides a new choice toreplace the reduction treatment of land
45、fill leachate membrane concentrate treated by DTRO and STRO.Atthe same time,through the box integrated processing of the set of equipment,the simple and fast designmode provides more possibilities for the later process adjustment.Key words:ultra high pressure roll reverse osmosis;reduction;landfill
46、leachate;integrated processing(上接第135页)interception rate of Naz SO4 increased.When the mass fraction of aqueous monomer PIP was O.5%,themass fraction of TMC of oil-phase monomer was 0.07%,the reaction time was 30 s,the post-treatmenttemperature was 70,a n d t h e p o s t-t r e a t m e n t t i m e w
47、a s 3 m i n,t h e w a t e r f l u x o f t h e p r e p a r e d PA/PM IAcomposite nanofiltration membrane was 508.9 L/(m?h MPa),the retention rate of Naz SO4 was98.24%,the thickness of amide(PA)layer was 40 nm,and the contact angle was 44.The PA/PMIAcomposite nanofiltration membrane had stable Na2 SO4
48、 retention after 30 days immersion in organic solventsand acids and bases.Key words:PMIA;interfacial polymerization;nanofiltration membrane;polyamide(上接第153页)35 L/(m.h MPa),which was 10.6 times higher than that of pure graphene oxide membranes,andachieved a retention rate of 86.7%for sodium sulfate,
49、and 97.8%and 98.6%for methyl blue and Congored,respectively.The retention rate of Congo red at different pH and concentrations reached over 95%.Inaddition,the membrane has been tested to have good stability and has great potential for application inwater treatment composite membranes.Key words:reduced graphene oxide;molybdenum disulfide;composite membrane;water treatment