基于納濾技術(shù)的質(zhì)檢萃取液脫色預(yù)處理方法

韓健健， 胡勇杰， 胡敏專

(廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院， 廣東 廣州 510670)

紡織品和皮革及其相關(guān)制品中甲醛(致癌、致畸、致突變)含量的精確檢測定量，對于保障人體安全和相關(guān)產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展具有重大意義[1]。分光光度法以其操作簡單、易于推廣普及等優(yōu)勢，成為國際、國內(nèi)紡織品和皮革及其制品中甲醛檢測標(biāo)準(zhǔn)中最常用的定量方法[2]，但是，深色紡織品和皮革樣品的萃取液顏色干擾[3]，造成的檢測限量和甲醛含量的確切值難以確定、檢測結(jié)果的精密度不高等問題，是限制該方法應(yīng)用的瓶頸?，F(xiàn)有的改進(jìn)方法中，雙波長法和雙空白法極大地增加了檢驗(yàn)員的工作量，檢測效率低[4]；吸附法和固相萃取法，由于所需吸附材料較多、材料裝填要求較高等問題，也使得檢測成本居高不下，因此，亟需開發(fā)出高效合理的甲醛檢測脫色預(yù)處理工藝。

納濾技術(shù)以其優(yōu)良的染料截留性能，在印染廢水治理領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[5]。納濾膜的孔徑約為1 nm，可對摩爾質(zhì)量分布于200～2 000 g/mol的物質(zhì)進(jìn)行有效截留；荷電材料制備的分離層，使得納濾膜中存在帶電基團(tuán)，可阻礙帶同種電荷的物質(zhì)的滲透，從而達(dá)到分離的目的。目前紡織品和皮革常用染料的分子質(zhì)量絕大多數(shù)分布在納濾膜有效截留分子質(zhì)量范圍內(nèi)，且部分染料帶有電荷，通過篩分作用和道南效應(yīng)，納濾膜可對溶液中的染料進(jìn)行有效截留，達(dá)到脫色的目的。

本文自制二氧化硅顆粒(SiO2)及銀離子修飾的二氧化硅顆粒(Ag+-SiO2)，采用界面聚合法，制備SiO2/聚酰胺有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合納濾膜和Ag+-SiO2/聚酰胺有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合納濾膜，研究其對深色紡織品和皮革甲醛萃取液的脫色性能。將納濾技術(shù)引入到質(zhì)檢行業(yè)，利用其良好的染料截留性能，對紡織品和皮革中甲醛含量檢測用萃取液進(jìn)行脫色預(yù)處理研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

材料：聚醚砜、N-甲基吡咯烷酮、分子質(zhì)量分別為200、400、600、800、1 000 g/mol的聚乙二醇(PEG-200、PEG400、PEG600、PEG800、PEG1000)、2，5-二氨基苯磺酸、均苯三甲酰氯、正己烷、十二烷基磺酸鈉、碳酸鈉、氫氧化鈉、戊二醛、無水乙醇、氨水、AgNO3，均購自國藥集團(tuán)藥業(yè)股份有限公司；聚酯非織造布(面密度為85 g/m2，厚度為0.14 mm，孔徑為5.5 μm)，購自天略紡織新材料公司；正硅酸乙酯(TEOS)，N-氨乙基-γ-氨丙基三甲氧基硅烷(TSD)，購自阿拉丁試劑有限公司；甲醛標(biāo)準(zhǔn)試劑，購自北京萬佳首化生物科技公司；乙酰丙酮顯色劑，依據(jù)GB/T 2912.1—2009《紡織品 甲醛的測定 第1部分:游離水解的甲醛(水萃取法)》，實(shí)驗(yàn)室自制；去離子水(自制)；模擬萃取液用的染料，均購于上海將來實(shí)業(yè)股份有限公司，其種類和主要參數(shù)見表1。

表1 染料種類及其主要參數(shù)Tab.1 Types and key parameters of dyes

主要設(shè)備：BS224S型電子天平，德國賽多利斯股份公司；UV-1800型紫外可見分光光度計(jì)，日本島津公司；DDS-307型電導(dǎo)率儀，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；FlowMem-0021-HP型三聯(lián)高壓平板膜小試設(shè)備，廈門福美科技有限公司；S-3400型掃描電子顯微鏡，日本日立公司；Thermo ESCALAB250Xi型X射線光電子能譜儀，Thermo公司；OCA40 Micro型表面接觸角測試儀，德國Dataphysics儀器股份有限公司。

1.2 復(fù)合納濾膜的制備

1.2.1 填充顆粒的制備

采用St?ber方法[6]，分別量取一定量的TEOS、無水乙醇、去離子水和氨水(體積分別為12、200、20、15 mL)，依次注入三口燒瓶中，室溫下用電動攪拌機(jī)劇烈攪拌24 h，得乳白色SiO2懸浮液A，將所得懸浮液A在離心機(jī)中于8 000 r/min下離心10 min，去掉上層清液，所得沉淀用去離子水洗3次，乙醇洗2次(洗滌方法為將一定量的水或者乙醇注入離心管，將離心管放入超聲儀中，超聲0.5 h，再放入離心機(jī)中于8 000 r/min下離心10 min，去掉上層清液，重復(fù)洗滌5次)。將所得沉淀轉(zhuǎn)移到坩堝中，避光真空干燥24 h后，放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中避光、50 ℃下干燥6 h，最后于馬弗爐中避光、150 ℃條件下干燥6 h，得球形SiO2顆粒。

將0.85 g AgNO3溶于定量的乙醇中，配制成25 mmol/L的AgNO3乙醇溶液，向溶液中加入1.057 g TSD，避光室溫下用電動攪拌機(jī)劇烈攪拌12 h，用分液漏斗將所得淡黃色溶液，緩慢地加入到上述SiO2懸浮液A中，一邊加入一邊劇烈攪拌，使混合均勻，避光室溫下繼續(xù)攪拌混合液12 h。將所得懸浮液B同懸浮液A一樣離心分離干燥后，得Ag+-SiO2顆粒。

1.2.2 有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合納濾膜的制備

稱取一定量的聚醚砜和PEG200，溶于N-甲基吡咯烷酮溶液中，制備聚醚砜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%的鑄膜液[7](致孔劑PEG200的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%)，脫泡后采用自制刮刀在玻璃板上涂布，并放入去離子水中，通過溶液相轉(zhuǎn)化法制得實(shí)驗(yàn)用超濾膜。

SiO2/聚酰胺有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合納濾膜、Ag+-SiO2/聚酰胺有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合納濾膜，可采用界面聚合法制得。分別稱取一定量的SiO2顆?；駻g+-SiO2顆粒，加入到含適量十二烷基磺酸鈉、碳酸鈉、氫氧化鈉的2，5-二氨基苯磺酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%)水溶液中，超聲30 min，充分分散得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%的SiO2或Ag+-SiO2無機(jī)相混合液；以上述制得的超濾膜為基膜，將其固定在自制的界面聚合裝置中，取適量無機(jī)相混合液倒在基膜上，室溫下保持30 min，倒掉無機(jī)相混合液，清除基膜表面水分后，倒入有機(jī)相溶液(均苯三甲酰氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的正己烷溶液)，室溫下反應(yīng)3 min，倒掉多余的有機(jī)相，交聯(lián)、熱處理、干燥后得聚酰胺復(fù)合納濾膜、SiO2/聚酰胺有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合納濾膜或Ag+-SiO2/聚酰胺有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合納濾膜，分別記作PA膜、S-PA膜、或SA-PA膜。

1.3 顆粒形貌表征

通過超聲作用將少量Ag+-SiO2顆粒充分分散于無水乙醇中，用滴管將少量分散后的混合液滴在導(dǎo)電鋁片上，在無塵條件下，待乙醇完全自然揮發(fā)后，將鋁片固定于掃描電鏡金屬基板上，濺射噴金后，采用掃描電鏡觀察顆粒形貌結(jié)構(gòu)。

1.4 納濾膜性能評價(jià)

1.4.1 膜表面元素分析

采用X射線光電子能譜儀，對SA-PA膜分離層表面進(jìn)行全譜和窄譜掃描，對其所含有的化學(xué)元素種類進(jìn)行分析。

1.4.2 膜表面接觸角測試

采用接觸角儀，對納濾膜分離層表面接觸角進(jìn)行測定，分析其親水性能。

1.4.3 截留摩爾質(zhì)量測試

分別配制1 g/L的分子質(zhì)量分別為200、400、600、800、1 000 g/mol的PEG水溶液，采用三聯(lián)高壓平板膜小試設(shè)備，對制備的納濾膜截留分子質(zhì)量進(jìn)行測試。

1.4.4 膜分離性能測試

采用三聯(lián)高壓平板膜小試設(shè)備，在0.4 MPa條件下，進(jìn)行膜分離性能測試，分析制備的納濾膜，在不同料液分離測試中的通量和截留率。通量按下式計(jì)算：

式中：J為通量，L/(m2·h)；V為透過液體積，L；S為納濾膜面積，m2；t為過濾時(shí)間，h。

截留率按下式計(jì)算：

式中：R為截留率，%；ρ1為原料液中溶質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/L；ρ2為透過液中溶質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/L。溶液中無機(jī)鹽的質(zhì)量濃度可采用電導(dǎo)率儀測得，溶液中染料的質(zhì)量濃度可采用紫外可見分光光度計(jì)測得。

1.4.5 加標(biāo)回收率測試

依據(jù)GB/T 2912.1—2009《紡織品 甲醛的測定第1部分：游離水解的甲醛(水萃取法)》進(jìn)行測試。不同之處是：在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，分別向?qū)嶒?yàn)組的溶液中添加定量的日落黃、酸性紅B、陽離子紅X-GTL或羅丹明B，使溶液中染料的質(zhì)量濃度為50、100或500 mg/L，萃取液過濾后分別采用PA膜或顆粒添加量為0.06%的S-PA膜、SA-PA膜進(jìn)行脫色預(yù)處理，然后進(jìn)行顯色反應(yīng)和甲醛含量的測定，加標(biāo)回收率按下式計(jì)算：

式中：P為加標(biāo)回收率，%；c1、c2、c3分別為未加甲醛標(biāo)準(zhǔn)溶液的試樣甲醛濃度測定值、加甲醛標(biāo)準(zhǔn)溶液后的試樣甲醛濃度測定值、甲醛標(biāo)準(zhǔn)溶液加標(biāo)量，mg/kg。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌結(jié)構(gòu)分析

Ag+-SiO2顆粒形貌結(jié)構(gòu)如圖1所示。可以看出，顆粒近似球形，直徑大約為200 nm，且粒度均勻分布，分散情況良好。

圖1 Ag+-SiO2顆粒形貌分析(×10 000)Fig.1 Morphology analysis of Ag+-SiO2(×10 000)

2.2 納濾膜性能分析

2.2.1 膜性能表征

2.2.1.1表面元素分析 X射線光電子能譜儀對SA-PA膜分離層表面元素分析結(jié)果如圖2所示。根據(jù)全譜譜圖出峰位置，與XPS標(biāo)準(zhǔn)譜圖數(shù)據(jù)庫的結(jié)合能進(jìn)行比對可知，SA-PA膜表面主要存在的元素有C、N、Si、O、Ag等，對以上元素分別進(jìn)行窄譜掃描，其中硅、銀元素窄譜譜圖分別見圖2(b)、(c)。通過峰面積擬合，結(jié)合靈敏度因子可分別計(jì)算出樣品所含元素的個(gè)數(shù)比，再結(jié)合元素的相對原子質(zhì)量，最終可計(jì)算出膜表面Si、Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。XPS分析結(jié)果表明，通過界面聚合作用，SiO2或Ag+-SiO2有效分布于納濾膜分離層表面。

圖2 SA-PA膜分離層表面元素分析Fig.2 Elements analysis of separation layer surface of SA-PA membrane. (a)Full spectrum analysis；(b)Narrow spectrum analysis of silicon elements；(c)Narrow spectrum analysis of silver elements

2.2.1.2接觸角分析 圖3為所制備的聚酰胺納濾膜分離層表面接觸角分析圖像。接觸角分析結(jié)果顯示：PA膜分離層表面接觸角為53.2°，顆粒添加量為0.10%的S-PA膜、SA-PA膜分離層表面接觸角分別為55.2°和54.2°。S-PA膜接觸角相對較大，是由SiO2顆粒的疏水性導(dǎo)致的[8-9]，SiO2的添加降低了膜分離層的親水性能，而相比于S-PA膜，SA-PA膜分離層表面接觸角較小，則是由于負(fù)載在SiO2顆粒上的Ag+的影響。由以上結(jié)果可知：3種膜均具有良好的親水性，由于顆粒添加量較小，SiO2和Ag+-SiO2對納濾膜的親水性能影響不大；接觸角的微小差別，也表明Ag+成功負(fù)載于SiO2顆粒上，且SiO2和Ag+-SiO2有效分布于雜化納濾膜分離層表面。

圖3 膜分離層表面接觸角分析Fig.3 Contact angle analysis of membrane separation layer surface

2.2.1.3截留分子質(zhì)量分析 所制備的3種納濾膜的截留分子質(zhì)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。從圖可知，3種膜對PEG的截留性能基本相同，當(dāng)分子質(zhì)量達(dá)到500 g/mol時(shí)，3種膜對PEG的截留率均達(dá)到90%以上，即所制備的3種納濾膜的截留分子質(zhì)量為500 g/mol左右。

圖4 3種納濾膜的截留分子質(zhì)量Fig.4 Molecular weight cut off of three nanofiltration membranes

2.2.2 純水通量分析

0.4 MPa操作壓力下，SiO2或Ag+-SiO2顆粒含量對雜化納濾膜純水通量的影響見圖5。由圖可知，隨著顆粒添加量的增加，2種雜化納濾膜的純水通量都呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢。這是由于納濾膜純水通量主要由分離層性能決定，適量無機(jī)顆粒的添加，可使得顆粒和高聚物之間形成微小的孔隙，從而增加了納濾膜分離層的孔隙率，有利于水分子透過；球狀SiO2或Ag+-SiO2顆粒以其超細(xì)微的粒徑和龐大的比表面積[10]，分布在聚酰胺高分子的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，可起到支撐點(diǎn)的作用，從而在一定程度上可阻礙高分子鏈段間彼此相互黏連，有效提高分離層的孔隙率[11]；同時(shí)，眾多的SiO2分子在構(gòu)成球形顆粒時(shí)彼此間存在的間隙[12]，可進(jìn)一步提高分離層的孔隙率，因此添加適量的球狀SiO2或Ag+-SiO2顆粒，可有效提高納濾膜的純水通量。但是，當(dāng)顆粒添加過多時(shí)，過量的顆粒進(jìn)入到高分子鏈段中，會將鏈段間原有的孔隙堵塞，且隨著添加量的增加，顆粒間的團(tuán)聚作用也顯著增強(qiáng)，顆粒相互擠壓在一起，導(dǎo)致比表面積迅速減小，從而使得自身的孔隙率也逐漸降低[12]，此時(shí)，若繼續(xù)增加顆粒添加量，納濾膜的純水通量反而會下降。添加量相同時(shí)，SA-PA膜純水通量略高于S-PA膜，這是由負(fù)載在SiO2顆粒上的Ag+引起的。

圖5 顆粒添加量對雜化納濾膜純水通量的影響Fig.5 Influence of particle content on pure water flux of hybrid nanofiltration membranes

2.2.3 無機(jī)鹽截留性能分析

表2示出PA膜及顆粒添加量為0.06%的S-PA膜和SA-PA膜對質(zhì)量濃度為1 000 mg/L的各種無機(jī)鹽的截留性能。

表2 納濾膜對各種無機(jī)鹽的截留性能Tab.2 Retention properties of nanofiltration membranes on various inorganic salts

分析表2可知，PA膜和S-PA膜對無機(jī)鹽的截留率較低，無機(jī)鹽的截留順序均為MgSO4>MgCl2>Na2SO4>NaCl，這是由于這2種納濾膜均為電中性，對無機(jī)鹽的截留作用僅依靠位阻效應(yīng)。SO4-2的水合半徑(3.8×10-9m)大于Cl-的水合半徑(3.32×10-9m)，且SO4-2的擴(kuò)散系數(shù)(1.06×10-9m2/s)小于Cl-的擴(kuò)散系數(shù)(2.03×10-9m2/s)[13]，故陽離子相同時(shí)，上述2種納濾膜對硫酸鹽的截留率大于氯鹽的截留率；同理，陰離子相同時(shí)，其對鎂鹽的截留率高于鈉鹽。SA-PA膜對不同種類無機(jī)鹽的截留率差異較大，截留率：MgCl2>MgSO4>Na2SO4>NaCl，其對MgCl2的截留率大于MgSO4，依據(jù)位阻效應(yīng)是無法解釋的，這是因?yàn)镾A-PA膜表面的Ag+賦予了其荷正電的特性，使得其對無機(jī)鹽的截留，同時(shí)存在位阻效應(yīng)和道南效應(yīng)的影響，荷正電納濾膜對Cl-的道南效應(yīng)的作用大于其對SO4-2的影響，且該作用大于位阻效應(yīng)的影響，使得其對MgCl2的截留率大于MgSO4；SA-PA膜對鎂鹽的截留率高于其對鈉鹽的截留率，則是由道南效應(yīng)和位阻效應(yīng)的共同作用引起的，無機(jī)鹽中陽離子的正電荷越高，受到荷正電納濾膜的道南排斥作用越大，同時(shí)Mg2+的水合半徑(4.28×10-9m)大于Na+的水合半徑(3.38×10-9m)，Mg2+的擴(kuò)散系數(shù)(0.72×10-9m2/s)小于Na+的擴(kuò)散系數(shù)(1.33×10-9m2/s)[13]，因此，相對于PA膜和S-PA膜，SA-PA膜對鎂鹽和鈉鹽的截留率相差更大；截留率Na2SO4>NaCl，則是由于此時(shí)位阻效應(yīng)占主導(dǎo)地位。SA-PA膜對不同無機(jī)鹽的截留特性，也證明了其荷正電的性能。

2.2.4 染料截留性能分析

表3示出PA膜及顆粒添加量為0.06%的S-PA膜和SA-PA膜，對染料質(zhì)量濃度分別為50、100、500 mg/L的3種溶液中染料的截留性能。

由表3可知，3種膜對不同染料均具有良好的截留性能，截留率均高于96%。50、100、500 mg/L這3種梯度染料質(zhì)量濃度下，3種納濾膜的通量基本無差異，這是由于相對于溶劑而言，溶質(zhì)質(zhì)量較小，其濃度的變化對一定時(shí)間內(nèi)透過納濾膜的水量基本無影響，故染料濃度變化對通量基本無影響；3種納濾膜的截留率均隨染料濃度的增加而略有升高，這是由于納濾膜對染料的截留特性，使得透過液中染料的增加比例小于原料液中增加的染料濃度比例。由于同時(shí)受到道南效應(yīng)和位阻效應(yīng)的影響，SA-PA膜對陽離子染料的截留率高達(dá)99%以上，可針對性用于含有陽離子染料的萃取液的脫色。

2.2.5 甲醛回收率分析

采用納濾膜脫色預(yù)處理后，甲醛回收率分析結(jié)果見表4。其中，同種納濾膜同樣加標(biāo)量下的3種回收率，分別是在染料質(zhì)量濃度為50、100和500 mg/L時(shí)測得的。由表4結(jié)果可知，含一定染料濃度的質(zhì)檢萃取液，通過上述3種納濾膜脫色預(yù)處理后，甲醛的加標(biāo)回收率均分布在95.7%～104.9%范圍內(nèi)，滿足紡織品和皮革甲醛檢測標(biāo)準(zhǔn)對回收率的要求，即制備的3種納濾膜，分別用于不同紡織品和皮革中甲醛檢測萃取液脫色預(yù)處理，具有良好的使用性能。

表3 納濾膜對各種染料的截留性能Tab.3 Retention property of nanofiltration membranes on various dyes

表4 甲醛回收率分析Tab.4 Analysis of formaldehyde recoveries

3 結(jié) 論

采用界面聚合法，將自制的二氧化硅及銀離子修飾的二氧化硅顆粒與高分子膜材料有效復(fù)合，制備出3種納濾膜，用于質(zhì)檢萃取液的脫色預(yù)處理研究，得到以下結(jié)論。

1)二氧化硅或銀離子修飾的二氧化硅顆粒成功負(fù)載于相應(yīng)的納濾膜表面，3種納濾膜親水性良好，截留分子質(zhì)量均為500 g/mol左右，PA膜和S-PA膜為電中性，可用于不同類型染料的截留；SA-PA膜荷正電，對陽離子染料的截留性能優(yōu)越。

2)采用自制的3種納濾膜，對質(zhì)檢萃取液進(jìn)行脫色預(yù)處理，加標(biāo)回收率滿足紡織品和皮革中甲醛檢測要求。

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