PDA/PIP二胺混合聚酰胺復(fù)合納濾膜制備及性能表征

王 磊，劉婷婷，米 娜，高 哲，苗 瑞，呼佳瑞，呂永濤

（西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院，陜西 西安 710055）

納濾膜是介于超濾和反滲透之間的一種新型膜分離技術(shù)，它對二價離子、多價離子和相對分子量在200以上的有機物有較高的去除率，且投資成本、運行費用低．自問世以來，該技術(shù)以其顯著的分離特性受到人們的關(guān)注和重視，并在水的軟化、各種廢水處理、食品加工、醫(yī)藥、石油工業(yè)等方面得到了廣泛的應(yīng)用．

目前，應(yīng)用最廣泛的制備納濾膜的方法是復(fù)合法．這種方法生產(chǎn)出的商品化納濾膜品種最多、產(chǎn)量最大[1]．復(fù)合法即在基膜上通過涂覆、界面聚合等方法制備具有納濾級別的功能層，制備方法主要分為三步：（1）微孔基膜的制備；（2）在基膜上制備納濾級別的功能層；（3）適當?shù)暮筇幚韀2]．

以聚砜為膜材料，通過相轉(zhuǎn)化法制備聚砜超濾膜，然后以自制的聚砜超濾膜為基膜，通過間苯二胺（PDA）和哌嗪(PIP)的混合水溶液與均苯三甲酰氯(TMC)的正己烷溶液進行界面聚合反應(yīng)，通過改變水溶液中兩種二胺的比例，制備了一系列復(fù)合納濾膜．研究了二胺單體組成與膜表面的結(jié)構(gòu)、形貌和膜分離性能的關(guān)系．分析探討了界面聚合條件對膜分離性能的影響和膜對不同無機鹽的截留性能．

1 材料與方法

1.1 實驗試劑

聚砜（PSF），E6010，德國BASF；N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）,分析純，天津市福晨化學試劑廠；聚乙二醇（PEG600），分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；聚乙烯毗咯烷酮（PVPk30），分析純，上海藍季科技發(fā)展有限公司；聚乙二醇辛基苯基醚（TritonX-100），分析純，國藥化學試劑有限公司；丙烯酸（AA），分析純，天津市福晨化學試劑廠；間苯二胺（PDA，≥99 %），天津市福晨化學試劑廠；哌嗪（PIP），分析純，國藥化學試劑有限公司；均苯三甲酰氯(TMC，98 %)，sigma-aldish；氯化鈉、氯化鎂、硫酸鈉、硫酸鎂均為分析純，天津市天力化學試劑有限公司．

1.2 復(fù)合納濾膜的制備

1.2.1 聚砜超濾膜的制備

通過溶液相轉(zhuǎn)化法制備聚砜超濾膜．首先進行鑄膜液的配置，將PSF、PVP k30、PEG600、AA、Triton X-100按比例同時加入溶劑DMAc中，并在60 ℃條件下機械攪拌 12 h，將攪拌好的鑄膜液于60 ℃恒溫靜置脫泡4 h；在室溫下將鑄膜液在裝有無紡布的玻璃板上刮制成溶液膜，并立即浸入以水為非溶劑的凝膠浴中，待相分離基本完成并成膜后，用去離子水反復(fù)沖洗多次以去除殘留的有機物，最后將膜保存在去離子水中 24 h以確保相分離完全完成．得到的PSF超濾膜，其純水滲透系數(shù)為400±20 L·m-2·h-1·bar-1，切割分子量為48 kDa，接觸角為81.94°，平均粗糙度為5.21 nm．

1.2.2 復(fù)合納濾膜的制備

在室溫下，用間苯二胺（PDA）和哌嗪(PIP)按一定比例配制水溶液，把均苯三甲酰氯(TMC)溶解于正己烷溶液配制有機溶液．首先將已經(jīng)制備的無紡布支撐的聚砜超濾膜在PDA和PIP的混合水溶液中浸漬，取出后用橡膠輥筒除去表面氣泡與多余溶液，晾干，隨后浸入TMC的正己烷有機溶液中反應(yīng)一定時間，取出來晾干，然后經(jīng)過熱處理即得到復(fù)合納濾膜，存放于去離子水中備用．

1.3 復(fù)合納濾膜的性能評價

納濾膜性能測試方法：采用小型錯流平板納濾試驗裝置如圖 1所示，膜組件有效面積為 98.4 cm2．測試過程中，原水溫度恒定為25 ℃，操作壓力為0.6 MPa，以2 000 mg/L的MgSO4溶液為對象，評價滲透通量和除鹽效果．水泵將原水壓入納濾膜組件，滲透液和濃縮液分別收集在容量瓶中，操作壓力和透過納濾膜組件的滲透液通量由回流管和濃水管上的調(diào)節(jié)閥門來控制．試驗前需要對納濾膜在0.7 MPa壓力下用去離子水預(yù)壓0.5 h，然后在操作壓力0.6 MPa下測定膜的通量和截留率．其中通量F=V/(A×t)，式中，A為膜的有效面積（m2），V為溶液滲透量（L），t為時間（h）；截留率R=(1-cp/cf)×100%，式中cp和cf分別為25 ℃時產(chǎn)水和進水的電導率(μS/cm)．用 DDS-307電導率儀測定過濾前后的鹽水的電導率，然后根據(jù)公式分別計算截留率．在膜性能測定實驗中，均進行多次平行試驗．另外本研究中給出的實驗數(shù)據(jù)皆為平均值，標準偏差在10 %以內(nèi)．

圖1 小型錯流平板納濾試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of cross flow flat nanofiltration test device

1.4 復(fù)合納濾膜表征

1.4.1 膜親水性表征

采用SL200B型接觸角測量儀測定表面接觸角的方法來分析研究膜的親水性．實驗前將膜樣品固定在載玻片上放入40 ℃烘箱烘干10 h．用靜態(tài)法測量幾個點的接觸角數(shù)值，并取測試結(jié)果的平均值以減少系統(tǒng)誤差．

1.4.2 膜表面聚合物結(jié)構(gòu)表征

采用 IRprestige-2型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）測定膜表面聚合物的結(jié)構(gòu)．實驗前將膜刮制成很薄的薄膜，將樣品在真空烘箱中烘干．用傅立葉變換紅外光譜儀（FTIR）對膜表面的聚合物進行紅外光譜測定．

1.4.3 膜表面形貌表征

采用Multimode 8.0型原子力顯微鏡（AFM）觀察膜的表面形態(tài)和粗糙度，掃面面積為5 μm×5 μsm．實驗前將膜樣品置于空氣中晾干，然后用雙面膠固定在基片上進行觀察，獲得的圖像采用Nanoscope Analysis軟件進行分析．

2 結(jié)果與討論

2.1 PDA/PIP質(zhì)量比對復(fù)合納濾膜性能的影響

圖2 不同PDA/PIP質(zhì)量比復(fù)合納濾膜對2 000 mg/L MgSO4的分離性能Fig.2 The separation performance of composite NF membranes with different mass ratio of PDA/PIP for 2 000 mg/L MgSO4

圖2 所示為PDA/PIP質(zhì)量比對復(fù)合納濾膜鹽溶液通量及無機鹽的截留性能影響試驗結(jié)果．由圖2可知，隨著混合水溶液中PDA/PIP中PIP含量的逐漸增大，復(fù)合納濾膜的鹽溶液通量逐漸增大，但對MgSO4的截留率隨著PIP含量的增大而減小．這主要是由PDA與PIP分子之間的結(jié)構(gòu)差異所致．PDA與TMC反應(yīng)生成的大分子網(wǎng)絡(luò)具有較平整的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)．相反PIP分子為脂環(huán)族二胺，其六元環(huán)結(jié)構(gòu)的最低能量狀態(tài)和最穩(wěn)定空間構(gòu)象為椅式結(jié)構(gòu)，這種椅式結(jié)構(gòu)的PIP分子代替平面型PDA進入到聚合物主鏈，會破壞大分子的平整性，不利于聚合物分子的規(guī)整排列[3]，致使復(fù)合層結(jié)構(gòu)均勻性變差，故無機鹽溶液通量隨著PIP含量的增加而增大，截留率反之．

2.2 不同 PDA/PIP質(zhì)量比復(fù)合納濾膜功能層的化學結(jié)構(gòu)

復(fù)合納濾膜PDA/PIP質(zhì)量比見表1．

聚砜超濾膜和復(fù)合納濾膜功能層紅外光譜圖如圖3所示．聚酰胺紅外光譜圖的主要特征峰位分別為：1 665 cm-1左右的聚酰胺中C=O的伸縮振動吸收峰（酰胺Ⅰ帶）、1 540 cm-1左右的聚酰胺中C-N伸縮振動和N-H伸縮振動的偶合振動吸收峰（酰胺Ⅱ帶）以及3 400 cm-1左右的N-H的伸縮振動吸收峰．

由圖3可知，4種復(fù)合納濾膜的功能層聚合物的紅外光譜圖在1 665 cm-1處都出現(xiàn)了酰胺Ⅰ帶吸收峰；復(fù)合納濾膜（b）的功能層紅外譜圖中未出現(xiàn)酰胺Ⅱ帶吸收峰，而復(fù)合納濾膜（c）～（e）功能層紅外譜圖的1 540 cm-1處都出現(xiàn)了酰胺Ⅱ帶吸收峰，而且峰強度逐漸增加．這些都表明了TMC和PDA與PIP的發(fā)生了聚合反應(yīng)，在聚砜超濾膜表面形成了聚酰胺功能層．

PIP與 TMC反應(yīng)生成聚酰胺的酰胺基團同時具有C-N鍵和N-H鍵，會出現(xiàn)酰胺Ⅱ吸收峰；復(fù)合納濾膜(b)的水相單體只有PDA，所以紅外光譜圖中沒有出現(xiàn)酰胺Ⅱ吸收峰；復(fù)合納濾膜(c)、(d)?(e)的水相中PIP的比例逐漸提高，所生成的聚酰胺中的 PDA-PIP鏈節(jié)含量增加，聚酰胺分子鏈中 N-H含量增多，導致酰胺Ⅱ吸收峰逐漸增強．

2.3 不同PDA/PIP質(zhì)量比復(fù)合納濾膜的表面和斷面形貌

圖4所示為聚砜超濾膜和復(fù)合納濾膜的三維表面形貌圖，圖4中，X、Y軸代表了原子力顯微鏡的掃描范圍，Z軸代表相對高度．

由圖4可以看出，聚砜超濾膜表面與復(fù)合納濾膜表面存在明顯的差異．聚砜超濾膜表面光滑、平坦，而復(fù)合納濾膜表面存在一層較為粗糙的聚合層，并且聚砜超濾膜的接觸角大于復(fù)合納濾膜的接觸角．這說明經(jīng)過界面聚合反應(yīng)在超濾膜表面形成了粗糙的功能層，并且由于胺官能團的強親水性，導致復(fù)合納濾膜表面的接觸角小于超濾膜的接觸角．與聚砜超濾膜相比，復(fù)合納濾膜有較大的粗糙度和較強的親水性，可以說明在復(fù)合納濾膜表面形成了功能層．表2所列為聚砜超濾膜和復(fù)合納濾膜的表面粗糙度參數(shù)和接觸角．

表1 復(fù)合納濾膜PDA/PIP質(zhì)量比Tab.1 The mass ratio of PDA and PIP for composite NF membrane

圖3 聚砜超濾膜和復(fù)合納濾膜功能層紅外光譜圖Fig.3 The FTIR of PSF UF membrane and the active layer on the composite NF membrane

圖4 聚砜超濾膜和復(fù)合納濾膜的表面形貌Fig.4 The AFM images of the surface morphologies of PSF UF mambrane and composite NF membrane

由表2可以看出，隨著水相中PIP比例的增加，膜表面的粗糙度呈減小趨勢．這與Kim等[4]的報道中膜結(jié)構(gòu)、性能的變化規(guī)律相符合.但膜的結(jié)構(gòu)和性能的變化原因仍有待進一步研究．同時隨著水相中PIP比例的增加，接觸角也呈降低趨勢，這是因為哌嗪的親水性大于間苯二胺的親水性．2.4 界面聚合條件對復(fù)合納濾膜性能的影響

根據(jù)不同PDA/PIP質(zhì)量比的復(fù)合納濾膜性能分析，得出在PDA/PIP質(zhì)量比為25/75時，所得復(fù)合納濾膜的通量及截留率等綜合性能相對優(yōu)良，所以在此條件下制備了復(fù)合納濾膜，進一步探討界面聚合條件對其性能的影響．

表2 聚砜超濾膜和復(fù)合納濾膜的表面粗糙度參數(shù)和接觸角Tab.2 The roughness and contact angle of PSF UF membrane and composite NF membrane

2.4.1 TMC濃度和反應(yīng)時間對復(fù)合納濾膜性能的影響

TMC濃度對復(fù)合納濾膜鹽溶液通量和無機鹽截留率的影響如圖5所示．由圖5可知，當TMC濃度從 0.05 wt %增大到 0.1 wt %，通量從18L/(m2·h)減小到 14 L/(m2·h)，而截留率從 65.8 %上升到93.7 %．這是因為界面聚合反應(yīng)隨著有機相中TMC濃度增大而加劇，致使形成密實完整的交聯(lián)功能層，減弱了復(fù)合納濾膜的滲透性能，增強其對無機鹽的截留性能．

圖5 TMC濃度對復(fù)合納濾膜性能的影響Fig.5 Effect of TMC concentration on the performance of composite NF membrane

隨著TMC含量的繼續(xù)增大，過強的界面反應(yīng)致使瞬間形成密實較厚的功能層結(jié)構(gòu)．此外，由于水相中PDA消耗殆盡，部分剩余酰氯基團轉(zhuǎn)化為羧基而失活，因此生成的聚合物變得松散，導致通量增大、截留率下降．因此，TMC的適宜濃度為0.1 wt %．

圖6為反應(yīng)時間對復(fù)合納濾膜鹽溶液通量和無機鹽截留率的影響．從圖6可知，反應(yīng)進行到60 s時截留率最高，達到93.7 %，但通量最小，僅為14 L/(m2·h)．分析認為由于TMC是高活性單體，能夠與胺基快速反應(yīng)，所以反應(yīng)進行到60 s時，膜表面就形成了致密的功能層．當反應(yīng)時間繼續(xù)延長到300s，完善的功能層阻礙了水相單體和有機相單體之間的反應(yīng)，界面處兩種單體的濃度和擴散速率的差異導致摩爾比發(fā)生變化，復(fù)合納濾膜的截留率降低、通量上升．因此，適宜的聚合反應(yīng)時間為60 s．

2.4.2 熱處理溫度和時間對復(fù)合納濾膜性能的影響

熱處理溫度對復(fù)合納濾膜鹽溶液通量和無機鹽截留率的影響如圖7所示．從圖7可以看出，熱處理溫度從25 ℃上升到100 ℃，復(fù)合納濾膜通量由 21 L/(m2·h)緩慢減小到 12 L/(m2·h)；不同的是，當熱處理溫度從 25 ℃上升到 80 ℃時，復(fù)合納濾膜的截留率從52.1 %上升到93.7 %．這是因為高溫加劇高分子鏈的運動，并導致間苯二胺分子黏度下降，擴散阻力隨之下降、擴散速度提高，使參與反應(yīng)的間苯二胺的量變大，膜表面形成的功能層更加密實[5]，膜的截留率上升．但是，過高的溫度會加快已生成的聚酰胺水解，不利于高分子量聚酰胺的生成，導致截留率下降．因此，當溫度達到100 ℃時，截留率下降至84.2 %．所以，適宜的熱處理溫度為80 ℃．

圖6 反應(yīng)時間對復(fù)合納濾膜性能的影響Fig.6 Effect of reacting time on the performance of composite NF membrane

圖7 熱處理溫度對復(fù)合納濾膜性能的影響Fig.7 Effect of curing temperature on the performance of composite NF membrane

圖8 所示為熱處理時間對復(fù)合納濾膜鹽溶液通量和無機鹽截留率的影響．從圖中可以看出，當熱處理時間從1 min增加到3 min，復(fù)合納濾膜的通量從11 L/(m2·h)緩慢增加到14 L/(m2·h)；而截留率從81.7 %上升到93.7 %；但繼續(xù)延長熱處理時間，復(fù)合納濾膜的通量和截留率均下降．原因在于熱處理開始時，支撐膜和功能層的孔徑收縮致密化，而且表面功能層進一步交聯(lián)反應(yīng)，故截留率上升．由于聚酰胺聚合反應(yīng)是放熱反應(yīng)，隨著熱處理時間的延長，聚酰胺水解形成親水性更強的高分子，而且也可能是受熱收縮程度不同導致基膜和表皮活性層斷裂、脫落出現(xiàn)缺陷，兩者共同作用導致截留率下降，所以，適宜的熱處理時間為3 min．

圖8 熱處理時間對復(fù)合納濾膜性能的影響Fig.8 Effect of curing time on the performance of composite NF membrane

2.4.3 復(fù)合納濾膜的無機鹽的分離性能特征

目前，納濾膜常被用于高鹽水的凈化，而高鹽水中鈉、鎂化合物普遍存在，因此選擇納、鎂無機化合物對膜的無機鹽分離性能進行考察．配制濃度為 2 000mg/L 的 NaCl、Na2SO4、MgCl2、MgSO4四種鹽溶液分別進行實驗，結(jié)果見圖9所示．

圖9 復(fù)合納濾膜對不同鹽溶液的分離性能Fig.9 The separation properties of NF membrane for different salt solution

由圖9可以看出，復(fù)合納濾膜對四種不同無機鹽的截留率次序為：MgSO4＞Na2SO4＞MgCl2＞NaCl；相應(yīng)鹽溶液的透水通量大小次序為：NaCl＞MgCl2＞Na2SO4＞MgSO4．顯然，復(fù)合納濾膜對硫酸鹽截留率明顯大于其對氯化鹽的截留效應(yīng)，而氯化鹽的透水性能優(yōu)于硫酸鹽溶液，這可能是因為硫酸鹽與氯化鹽溶液的擴散系數(shù)差異所致．Schaep J.等人[6]實測得到了 NaCl、MgCl2、Na2SO4、MgSO4四種無機鹽離子的擴散系數(shù)，硫酸鹽離子的擴散系數(shù)明顯大于氯化鹽離子，致使復(fù)合納濾膜對二者的截留及滲透性能的差異．因此，復(fù)合納濾膜分離無機鹽溶液的過程中，無機鹽離子的擴散系數(shù)是控制其傳輸機制的關(guān)鍵參數(shù)之一，較大的擴散系數(shù)致使無機鹽離子極易通過膜體進入滲透液，導致較低的截留效應(yīng)，相應(yīng)無機離子在膜面及膜孔道中的累積吸附亦減緩，滲透通量較大．

圖10 復(fù)合納濾膜對不同濃度MgSO4的分離性能Fig.10 The separation properties of NF membrane for different concentration of MgSO4

圖10 所示為復(fù)合納濾膜對不同濃度MgSO4溶液的分離性能．由圖中可以看出，當MgSO4濃度從1 g/L增加到3 g/L，復(fù)合納濾膜截留率從84.4 %上升到 99.4 %；通量由 17 L/(m2·h)減小到 12 L/(m2·h)；顯然截留率隨MgSO4濃度的增加而逐漸增大，而滲透通量呈現(xiàn)逐漸減小趨勢．這是因為在無機鹽分離過程，帶負電的膜面極易吸附 Mg2+離子，電荷中和使得膜面對SO42-的排斥效應(yīng)減弱，加劇了Mg2+及SO42-在膜面的吸附累積，隨著無機鹽濃度的增大吸附累積速率會逐漸加強，即截留率增大；但是跨膜阻力隨著無機鹽離子在膜面的不斷累積亦在加劇，相應(yīng)滲透通量減?。牵擬gSO4濃度繼續(xù)增加到5 g/L，截留率下降到92.6 %，而通量減小到10 L/(m2·h)．這時因為當鹽濃度達到一定值后，瞬間形成的濃差極化致使膜面大量的SO42-透過膜而打破了膜兩側(cè)的電中和，相應(yīng) Mg2+的透過率增大來維持電中性，導致了截留率及滲透通量的減弱．

3 結(jié)語

（1）在以聚砜超濾膜為基膜，通過間苯二胺（PDA）、哌嗪（PIP）與均苯三甲酰氯（TMC）界面聚合制備聚酰胺復(fù)合納濾膜的過程中，PDA/PIP的比例直接影響著所生成聚酰胺的聚集態(tài)．PDA比例越低，復(fù)合納濾膜表面粗糙度越小，接觸角越小，膜通量越大而截留率越低．

（2）在不同PDA/PIP質(zhì)量比條件下制備復(fù)合納濾膜，通過復(fù)合納濾膜的接觸角、表面聚合物結(jié)構(gòu)及膜的表面形貌分析以及復(fù)合納濾膜對 MgSO4分離性能的研究表明，最佳 PDA/PIP質(zhì)量比為25/75．在最佳 PDA/PIP質(zhì)量比條件下，最佳聚合條件為：PDA濃度0.5 wt %，PIP濃度1.5 wt %，TMC濃度 0.1wt %，反應(yīng)時間 60 s，熱處理溫度80 ℃，熱處理時間3 min．

（3）在最佳聚合條件下制備的復(fù)合納濾膜對四種不同類型無機鹽的截留率的次序依次為 MgSO4＞Na2SO4＞MgCl2＞NaCl；通量次序為：NaCl＞MgCl2＞Na2SO4＞MgSO4．帶負電的復(fù)合納濾膜在PDA/PIP二胺單體的影響下，對上述無機鹽的截留效應(yīng)所表現(xiàn)的特點主要是擴散系數(shù)差異所導致的．

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