靜電紡聚砜纖維膜對分散染料的過濾性能研究*

劉雷艮 潘志娟

(1.蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘇州，215008;2.蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，蘇州，215021)

靜電紡聚砜纖維膜對分散染料的過濾性能研究*

劉雷艮1潘志娟2

(1.蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘇州，215008;2.蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，蘇州，215021)

采用靜電紡絲法制得聚砜纖維膜，并用其過濾分散艷藍(lán)2BLN染液。研究了靜電紡聚砜纖維膜的表面形態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)及其對分散艷藍(lán)2BLN的過濾性能。結(jié)果表明，靜電紡聚砜纖維膜對分散艷藍(lán)2BLN的過濾效率幾乎為零。

聚砜，靜電紡絲，過濾性能，分散染料

染料是造成印染廢水色度的主要原因。染料一般溶解于水或者以微細(xì)顆粒狀懸浮在水中，相對分子質(zhì)量較小，因此較難除去。目前主要采用混凝吸附、催化降解及膜過濾等方法除去印染廢水中的染料色度，但是混凝吸附和催化降解等方法易造成二次污染，而膜過濾法主要采用物理攔截篩分的原理過濾染料，不會帶來二次污染。傳統(tǒng)相分離法制備的過濾膜孔隙率較低，只能達(dá)到30% ～50%;而靜電紡絲獲得的非織造纖維膜具有貫通的孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙率可達(dá)80%以上，且纖維直徑細(xì)，可以達(dá)到納米級，具有較高的表面吸附能，適合用作過濾材料［1-3］。但是，印染廢水有較高的酸堿度和一定的溫度，要求過濾材料具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，而聚砜(PSF)在一般的強(qiáng)酸強(qiáng)堿溶液中不溶解也不溶脹，其連續(xù)使用溫度在105℃以上，因此很適合用作印染廢水過濾材料。本文采用PSF進(jìn)行靜電紡絲制得非織造纖維膜，然后用其過濾分散艷藍(lán)2BLN染液，研究靜電紡聚砜纖維膜(以下簡稱電紡PSF膜)的表面形態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)及其過濾性能。

1 實驗部分

1.1 材料

PSF樹脂顆粒，上海百靈威化學(xué)技術(shù)有限公司，MW=7.5×104g/mol;

N，N’-二甲基甲酰胺(DMF)，上海百靈威化學(xué)技術(shù)有限公司，分析純;

分散艷藍(lán)2BLN，上虞市佳力染料化工有限公司。

1.2 方法

1.2.1 電紡PSF膜的制備

在室溫條件下，將一定量的PSF樹脂顆粒溶解于DMF溶劑中，經(jīng)90-3型恒溫雙向磁力攪拌器充分?jǐn)嚢枞芙夂?，制得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的紡絲液;將紡絲液注入5 mL玻璃注射管中，注射管針頭內(nèi)徑為0.45 mm，并在紡絲電壓為12 kV，噴絲頭與接收板之間的距離為15 cm，紡絲液流量為1.5 mL/h的紡絲條件下靜電紡絲30 min;將紡得的纖維氈在室溫下放置48 h，然后用夾子夾持纖維氈兩端，使之平整后放入DHG-9076A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海精宏實驗設(shè)備有限公司)內(nèi)，并在190℃溫度下熱處理2 h，制得電紡PSF膜備用。

1.2.2 過濾實驗

先將分散艷藍(lán)2BLN染料配制成300 mg/L的過濾染液，然后將電紡PSF膜分別以一層、二層和三層疊合的形式放入針筒式過濾器進(jìn)行過濾實驗。

1.2.3 性能測試

(1)采用螺旋測微儀測量電紡PSF膜的厚度，并稱取單位面積電紡PSF膜的重量，計算得到電紡PSF膜的密度ρv，則電紡PSF膜的孔隙率η=(1 －ρv/ρ) ×100%，ρ為PSF 的密度(1.24 g/cm3)。

(2)采用毛管流動孔隙測量儀(美國施多威爾公司)測量電紡PSF膜的最大壓泡孔徑。

(3)通過S-4700型掃描電子顯微鏡觀察過濾前后電紡PSF膜的表面形態(tài)。

(4)采用HPP 5001型激光粒度分析儀(英國馬爾文公司)檢測分散艷藍(lán)2BLN染料的粒徑及其分布。

(5)采用722型可見分光光度計測量過濾前后染液的最大吸光度，每種試樣分別測3次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 過濾前后電紡PSF膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)

圖1(a)和圖1(b)分別為電紡PSF膜經(jīng)熱處理后原樣放大2 000倍和10 000倍的SEM照片。由圖1(a)可見，采用靜電紡絲方法獲得的PSF纖維膜類似于非織造布的形態(tài)，纖維隨機(jī)排列，纖維間形成交錯的多孔結(jié)構(gòu)，其直徑為(684±263)nm，并未達(dá)到纖維直徑小于100 nm的納米級程度，屬于亞微米級，且纖維直徑均勻性差;由圖1(b)可見，單根纖維表面光滑，不存在明顯的孔穴等缺陷。圖1(c)和圖1(d)分別為過濾后電紡PSF膜表面放大2 000倍和10 000倍的SEM照片。由圖1(c)可見，過濾后電紡PSF膜表面并未截留分散艷藍(lán)2BLN染料顆粒;由圖1(d)可見，纖維表面吸附少量固體顆粒，這可能是由于纖維較大的表面能而吸附了少量分散艷藍(lán)2BLN染料顆粒。

圖1 電紡PSF膜過濾前后的SEM照片

2.2 電紡PSF膜的孔隙結(jié)構(gòu)

過濾膜的孔隙結(jié)構(gòu)直接影響膜的過濾效率和過濾阻力。過濾時在滿足過濾效率的條件下，膜的孔隙率越小，過濾阻力越大;反之，孔隙率越大，膜通量越大，過濾阻力越小。纖維膜的孔隙結(jié)構(gòu)與纖維排列狀態(tài)、纖維直徑及其均勻性有直接關(guān)系。纖維隨機(jī)排列，沿各向同性分布，使形成的纖維膜孔隙結(jié)構(gòu)均勻，且纖維膜的強(qiáng)力各向同性，利于抵御過濾時的阻力。纖維直徑越小，形成的纖維膜孔徑越小，纖維的比表面積越大，表面能越高，吸附能力越好。當(dāng)纖維直徑達(dá)到納米級時，纖維表面易形成納米吸附效應(yīng)，用作過濾材料時利于吸附被過濾的物質(zhì)。纖維直徑分布的均勻性影響纖維膜孔徑的均勻性，纖維粗細(xì)不勻，使得纖維膜的孔徑分布不勻，易使纖維膜最大孔徑增大，不利于提高過濾效率。最大壓泡孔徑反映了過濾膜的截留性能。

圖2示出了電紡PSF膜的最大孔徑及其分布。由圖2可知:電紡PSF膜的最大壓泡孔徑分布為4.2 ～4.8 μm;其中，4.2 ～4.4 μm 占 33.9%，4.4～4.6 μm 占 34.4%，4.6 ～ 4.8 μm 占 28.9%，接近微孔過濾材料的孔徑范圍0.05～10 μm。制得的PSF電紡膜平均厚度為70 μm，經(jīng)稱量計算得到，其孔隙率達(dá)到82.5%。

圖2 電紡PSF膜的最大孔徑及其分布

2.3 分散艷藍(lán)2BLN的粒徑分布

分散染料不溶于水，以微細(xì)顆粒狀懸浮在水中，其顆粒的大小依賴于研磨程度。本實驗所用的分散艷藍(lán)2BLN的粒徑分布如圖3所示。由圖3可見:分散艷藍(lán)2BLN的粒徑主要分布在40～370 nm范圍內(nèi)，其中40～100 nm約占總數(shù)的90%，這說明大部分顆粒已達(dá)到納米級;而部分粒徑在300 nm附近的染料顆?？赡苁菧y量的染液中發(fā)生顆粒間團(tuán)聚作用而造成的。

圖3 分散艷藍(lán)2BLN的粒徑分布曲線

2.4 電紡PSF膜的過濾性能

分散染料在水中呈電中性，采用電紡PSF膜過濾分散染料時主要依靠膜的攔截、慣性沉積作用進(jìn)行過濾，因此對染料的過濾效率主要依賴于膜孔徑的大小。通過對過濾前后染液的最大可見光吸光度的測量來間接反映過濾前后染液的相對濃度，并通過對比最大吸光度來反映過濾效率。

圖4為300 mg/L分散艷藍(lán)2BLN染液的可見光吸收波長與吸光度分布曲線。由圖4可知，分散艷藍(lán)2BLN的最大吸收波長為560 nm，最大吸光度為 1.667。

圖4 分散艷藍(lán)2BLN染液的可見光吸收波長與吸光度分布曲線

將電紡PSF膜分別以一層、二層和三層疊合形式對分散艷藍(lán)2BLN染液進(jìn)行過濾，過濾前后濾液的最大吸光度的數(shù)據(jù)如下:

隨著過濾膜層數(shù)的增加，過濾前后濾液的最大吸光度沒有明顯的變化，說明增加過濾膜層數(shù)對過濾效率沒有明顯的影響，這是由于電紡PSF膜的孔徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分散艷藍(lán)2BLN的粒徑而造成的。

3 結(jié)論

采用電紡PSF膜過濾分散艷藍(lán)2BLN染液，并對過濾前后電紡PSF膜的表面形態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)、過濾性能及分散艷藍(lán)2BLN的粒徑分布進(jìn)行了系統(tǒng)測試和研究，得出以下結(jié)論:

(1)電紡PSF膜內(nèi)纖維隨機(jī)排列，纖維直徑為(684±263)nm，過濾后膜表面無明顯殘留染料顆粒，其孔隙率達(dá)82.5%，最大壓泡孔徑為4.2 ～4.8 μm。

(2)分散艷藍(lán)2BLN的粒徑分布為40～370 nm，遠(yuǎn)小于電紡PSF膜的最大壓泡孔徑，且隨著過濾膜層數(shù)的增加，其最大可見光吸光度幾乎沒有變化，過濾效率幾乎為零。

［1］高曉艷，潘志娟.用作過濾材料的靜電紡納米纖維的研究現(xiàn)狀［J］.產(chǎn)業(yè)用紡品，2008，26(3):6-10.

［2］覃小紅，王善元.靜電紡納米纖維的過濾機(jī)理及性能［J］.東華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007(1):52-56.

［3］戴有剛，左保齊.靜電紡絲非織造過濾材料研究進(jìn)展［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2008，26(7):1-5.

Research on filtration property of electrospun polysulfone fiber membrane to disperse dyes

Liu Leigen1，Pan Zhijuan2
(1.Suzhou Istitute of Trade＆ Commerce;2.College of Textile and Clothing Engineering，SooChow University)

Polysulfone fiber membranes were preparated by electrospinning which was used to filter suspension liquid of disperse brilliant blue 2BLN.The surface morphology，pore structure and filtration property of electrospun polysulfone fiber membrane were studied.The results showed that filtration efficiency of elelctrospun fiber membrane to disperse brilliant blue 2BLN was almost zero.

polysulfone，electrospinning，filtration property，disperse dye

TQ342+.7

A

1004－7093(2011)09－0025－03

*蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然青年科研基金項目(JMQZ1001)

2011－06－29

劉雷艮，女，1979年生，講師，在職博士研究生。主要從事靜電紡絲納米纖維材料的研究。