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一种改性纳米管和麦克烯复合掺杂的聚醚砜膜及其制备方法

申请号 CN202410016108.3 申请日 2024-01-05 公开(公告)号 CN117619174A 公开(公告)日 2024-03-01
申请人 天冀桢材科技(河北)有限公司; 发明人 耿宏章; 耿文浩; 田璐瑶;
摘要 本 发明 公开了一种改性 碳 纳米管 和麦克烯复合掺杂的聚醚砜膜及其制备方法,所述制备方法包括以下步骤:步骤1,采用非共价接枝法将MWCNTs和EGCG结合制备E‑MWCNTs;步骤2,利用AEAPTMS对Mxene进行 氨 基功能化,得到A‑Mxene;步骤3,利用相转化法制备以E‑MWCNTs和A‑Mxene为 掺杂剂 的PES混合基质膜。本发明的聚醚砜 水 处理 膜在使用过程中可以通过电辅助高效去除污垢,达到较高的通量恢复率,并且可以防止细菌的污染,延长膜的工作寿命,缩小成本。
权利要求

1.一种改性纳米管和麦克烯复合掺杂的聚醚砜膜的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,采用非共价接枝法将MWCNTs和EGCG结合制备E‑MWCNTs;
步骤2,利用AEAPTMS对Mxene进行基功能化,得到A‑Mxene;
步骤3,利用相转化法制备以E‑MWCNTs和A‑Mxene为掺杂剂的聚醚砜膜。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤1中,首先,将MWCNTs和EGCG超声分散得到均匀的悬浮液,进行机械搅拌,然后将悬浮液过滤、洗涤、干燥、研磨,得到E‑MWCNTs。
3.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述步骤1中,MWCNTs和EGCG的质量比为
1:(2‑7.5);
超声时间为30‑60min,超声功率为180‑250W;
所述机械搅拌在磁搅拌器中进行,磁力搅拌器的转速为500~700rpm,搅拌混合时间为12‑36h;
将悬浮液过滤并在过滤过程中用酒精洗涤三次;
所述干燥在真空烘箱中进行,干燥温度为室温,干燥时间为6~24h。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤2中,于保护气体保护下,将MXene和AEAPTMS加入到/乙醇混合溶液中,用盐酸调节反应介质pH至3.5,进行机械搅拌,反应完成后,将悬浮液过滤和洗涤,将得到的滤饼进行干燥并研磨,得到A‑Mxene。
5.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述步骤2中,所述的MXene和AEAPTMS的质量比为1:2;
所述的水/乙醇混合溶液中水与乙醇的质量比例为1:9;
所述的机械搅拌在磁力搅拌器中进行,搅拌转速为500~700rpm,搅拌混合时间为6‑
12h;
所述干燥在真空烘箱中进行,干燥温度为室温,干燥时间为6~24h。
6.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤3中,首先将E‑MWCNTs和A‑MXene按预定比例分散在DMAc溶剂中,进行超声以确保掺杂剂均匀的悬浮,得到悬浮液,然后在搅拌条件下将PES和PVP缓慢加入所述悬浮液中,得到铸膜液,保持机械搅拌,以除去铸膜液中的气泡,然后使用刮膜棒将铸膜液液倒在干净的玻璃板上,并用刮刀刮膜,得到初始膜,将初始膜在室温下蒸发预定时间,然后浸入水浴中进行相转化,得到改性碳纳米管和麦克烯复合掺杂的聚醚砜膜。
7.如权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述步骤3中,铸膜液中,所述的E‑MWCNTs的含量为0‑0.75%,A‑MXene的含量为0‑0.1%,DMAc溶剂的含量为79.25‑80%,PVP的含量为1%,PES的含量为19%;
超声时间为30‑60min,超声功率为180‑250W;
所述搅拌在磁力搅拌器中进行,搅拌转速为500~700rpm,搅拌混合时间为6~10h;
所述的刮刀厚度为150‑200μm。
8.一种利用如权利要求1‑7中任一项所述制备方法得到的改性碳纳米管和麦克烯复合掺杂的聚醚砜膜。

说明书全文

一种改性纳米管和麦克烯复合掺杂的聚醚砜膜及其制备

方法

技术领域

[0001] 本发明涉及分离膜改性技术领域,特别是涉及一种改性碳纳米管和麦克烯复合掺杂的聚醚砜膜及其制备方法。

背景技术

[0002] 当前,由于工农业滥排,世界正面临人均水资源匮乏的问题,这导致水资源利用的紧张局势日益加剧。为了解决这个问题,需要通过水资源回收来解决。膜分离技术涉及对不同粒径的分子混合物进行筛分,是水资源再利用的实用解决方案。然而,膜污染一直是膜分离工艺的常见问题。
[0003] 近年来,膜与外加电场的结合在废水处理中得到了广泛的应用,以提高截留率或污染物去除率。水中的污垢(如细菌和天然有机物)通常带有负电荷,通过施加外部电压使膜表面带负电荷,可以改善膜与污垢之间的静电排斥。此外,该过程会产生类似气体洗涤的气泡,从而有效去除膜污垢。因此,研究人员迫切需要开发一种操作稳定、制备简单的导电超滤膜。
[0004] 多壁碳纳米管(MWCNTs)和麦克烯(MXene)因其优异的导电性、高机械强度、大比表面积和良好的稳定性而在水处理膜领域受到广泛应用。然而,原始的碳纳米管和麦克烯都带有负电荷,导致结合较弱,这是一个有待解决的问题。因此,如何提供一种改性碳纳米管和麦克烯掺杂的聚醚砜(PES)膜及其制备方法,实现膜的性能提升并达到高效污垢去除率,是本领域研究人员仍待解决的问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的是针对现有技术中碳纳米材料掺杂的水处理膜存在的技术缺陷,而提供一种改性碳纳米管和麦克烯复合掺杂的聚醚砜膜。
[0006] 本发明的另一个目的是提供所述改性碳纳米管和麦克烯复合掺杂的聚醚砜膜的制备方法。
[0007] 为实现本发明的目的所采用的技术方案是:
[0008] 一种改性碳纳米管和麦克烯复合掺杂的聚醚砜膜的制备方法,包括以下步骤:
[0009] 步骤1,采用非共价接枝法将MWCNTs和表没石子儿茶素没食子酸酯(EGCG)结合制备E‑MWCNTs;
[0010] 步骤2,利用[3‑(2‑基乙基氨基)‑丙基]三甲烷(AEAPTMS)对Mxene进行氨基功能化,得到A‑Mxene;
[0011] 步骤3,利用相转化法制备以E‑MWCNTs和A‑Mxene为掺杂剂的聚醚砜膜。
[0012] 在上述技术方案中,所述步骤1中,首先,将MWCNTs和EGCG超声分散得到均匀的悬浮液,进行机械搅拌,之后,将悬浮液过滤、洗涤、干燥、研磨,得到E‑MWCNTs。
[0013] 在上述技术方案中,所述步骤1中,MWCNTs和EGCG的质量比为1:(2‑7.5);
[0014] 超声时间为30‑60min,超声功率为180‑250W;
[0015] 所述机械搅拌在磁力搅拌器中进行,磁力搅拌器的转速为500~700rpm,搅拌混合时间为12‑36h;
[0016] 将悬浮液过滤并在过滤过程中用酒精洗涤三次;
[0017] 所述干燥在真空烘箱中进行,干燥温度为室温,干燥时间为6~24h。
[0018] 在上述技术方案中,所述步骤2中,于保护气体保护下,将MXene和[3‑(2‑氨基乙基氨基)‑丙基]三甲氧基硅烷(AEAPTMS)加入到水/乙醇混合溶液中,用盐酸调节反应介质pH至3.5,进行机械搅拌,反应完成后,将悬浮液过滤和洗涤,将得到的滤饼进行干燥并研磨,得到A‑Mxene。
[0019] 在上述技术方案中,所述步骤2中,所述的MXene和AEAPTMS的质量比为1:2;
[0020] 所述的水/乙醇混合溶液的质量比例为1:9;
[0021] 所述的机械搅拌在磁力搅拌器中进行,搅拌转速为500~700rpm,搅拌混合时间为6‑12h;
[0022] 所述干燥在真空烘箱中进行,干燥温度为室温,干燥时间为6~24h。
[0023] 在上述技术方案中,所述步骤3中,首先将E‑MWCNTs和A‑MXene按预定比例分散在N,N‑二甲基乙酰胺(DMAc)溶剂中,进行超声以确保掺杂剂均匀的悬浮,得到悬浮液,然后在搅拌条件下将PES和聚乙烯吡咯烷(PVP)缓慢加入所述悬浮液中,得到铸膜液,保持机械搅拌,以除去铸膜液中的气泡,然后使用刮膜棒将铸膜液液倒在干净的玻璃板上,并用刮刀刮膜,得到初始膜,将初始膜在室温下蒸发预定时间,然后浸入水浴中进行相转化,得到改性碳纳米管和麦克烯复合掺杂的聚醚砜膜。
[0024] 在上述技术方案中,所述步骤3中,铸膜液中,所述的E‑MWCNTs的含量为0‑0.75%,A‑MXene的含量为0‑0.1%,DMAc溶剂的含量为79.25‑80%,PVP的含量为1%,PES的含量为19%;
[0025] 超声时间为30‑60min,超声功率为180‑250W;
[0026] 所述搅拌在磁力搅拌器中进行,搅拌转速为500~700rpm,搅拌混合时间为6~10h。
[0027] 所述的刮刀厚度为150‑200μm。
[0028] 本发明的另一方面,还包括一种基于所述制备方法得到的改性碳纳米管和麦克烯复合掺杂的聚醚砜膜。
[0029] 与现有技术相比,本发明的有益效果是:
[0030] 1.本发明采用相转化法将E‑MWCNTs和A‑MXene掺杂制备出PES水处理膜,其具有制备简单,渗透性和分离性能优异,导电性能良好和优秀抗菌性等优点。
[0031] 2.改性修饰过的E‑MWCNTs和A‑MXene的表面使其具有相反的电荷,可以促进静电结合,缓解聚集的同时可以使二者在膜内的复合更稳定。
[0032] 3.本发明的聚醚砜水处理膜在使用过程中可以通过电辅助高效去除污垢,达到较高的通量恢复率,并且可以防止细菌的污染,延长膜的工作寿命,缩小成本。附图说明
[0033] 图1为本发明提供的E‑MWCNTs的透射电镜图。
[0034] 图2为本发明提供的A‑MXene的透射电镜图。
[0035] 图3为本发明提供的纯PES膜和改性膜的断面结构扫描电子显微镜
[0036] 图4为本发明提供的纯PES膜和改性膜的纯水通量柱状图。
[0037] 图5为本发明提供的纯PES膜和改性膜的通量恢复率柱状图。

具体实施方式

[0038] 以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
[0039] 本发明所用的试剂和材料:MWCNTs、EGCG、PVP、DMAc、PES、刚果红染料、血清蛋白均为分析纯。
[0040] 实施例1
[0041] 一种改性碳纳米管和麦克烯复合掺杂的聚醚砜膜,通过以下步骤制备:
[0042] 步骤1,将质量比为1:5的MWCNTs和EGCG,以200W超声60min分散得到均匀的悬浮液,将其置于油浴中机械搅拌24h,之后,将悬浮液过滤并在过滤过程中用酒精洗涤三次。最后,将得到的滤饼在真空干燥箱中室温干燥12h,研磨使用。
[0043] 步骤2,将质量比为1:2的MXene和[3‑(2‑氨基乙基氨基)‑丙基]三甲氧基硅烷(AEAPTMS)加入到水/乙醇混合溶液中搅拌。反应时引入氮气保护,用盐酸调节反应介质pH至3.5。在过滤过程中,将悬浮液过滤和洗涤三次。最后,将得到的滤饼在真空干燥箱中室温干燥24h并研磨。
[0044] 步骤3,取0.75g E‑MWCNTs粉末和0.06g的A‑MXene加入到79.25mL DMAc溶剂中超声60min。再取19g PES粉末和1g的PVP粉末加入混合液,在70℃下油浴加热6h制备铸膜液。其中,DMAc作为有机溶剂,PVP作为成孔添加剂。先将分散均匀的铸膜液搅拌脱除一部分气泡,然后放到真空烘箱中静置脱泡。脱泡结束后,使用200μm刮膜棒将铸膜液均匀地刮在干净的玻璃板上,接着将玻璃板平稳而迅速地放到水凝固浴中,等相转化过程进行完成之后,膜自动从玻璃板上脱离下来,得到改性膜(改性碳纳米管和麦克烯复合掺杂的聚醚砜膜)。
[0045] 对比例1
[0046] 取19g PES粉末和1g的PVP粉末加入到80mL DMAc溶剂中,在70℃下油浴加热6h制备铸膜液。其中,DMAc作为有机溶剂,PVP作为成孔添加剂。先将分散均匀的铸膜液搅拌脱除一部分气泡,然后放到真空烘箱中静置脱泡。脱泡结束后,使用200μm刮膜棒将铸膜液均匀地刮在干净的玻璃板上,接着将玻璃板平稳而迅速地放到水凝固浴中,等相转化过程进行完成之后,膜自动从玻璃板上脱离下来,得到纯PES膜。
[0047] 实施例2
[0048] 对实施例1得到的改性膜和对比例1得到的纯PES膜进行有机污垢实验:
[0049] 在膜的有机污垢实验中,以刚果红(100mg·L‑1)和牛血清蛋白(1g·L‑1)用于测试膜的防污性能。首先,在0.1MPa下获得膜的纯水通量(Jw1),如图4所示,然后用污垢的水溶液置换进料溶液。然后使用带有外部电源的膜装置(电压由直流电源提供,膜和不锈分别作为阴极阳极)去除污垢。最后,用去离子水物理冲洗,再次测定纯水通量(Jw2)。计算通量回收率FRR分析膜的去除污染能力,如图5所示。
[0050] 通量回收率(FRR)可根据以下公式计算:
[0051]
[0052] 以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出的是,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。