H-PSMA/PVA/PP復合膜的制備及油-水乳液分離性能

張 宇，張?zhí)鹛?，郭雅?，2

1. 武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430205；2. 中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071

隨著科技的迅猛發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的含油廢水越來越多［1-2］，工業(yè)事故或船舶沉沒導致的石油泄漏事故時有發(fā)生［3-4］，對環(huán)境和人類健康造成了嚴重威脅［5］。因此，尋找一種高效、便捷的方法來處理含油廢水，對于水資源的循環(huán)利用和環(huán)境的保護意義非凡。目前廣泛應用的傳統(tǒng)的油水混合物分離方法，如物理吸附［6-7］、光催化［8］和浮選［9］等，存在分離效率低、耗時長和難以避免二次污染等不足，不能有效分離乳化油水混合物。膜分離技術具有分離效率高、操作簡單、能耗低和環(huán)保等優(yōu)點，近年來成為油水乳液分離的研究熱點［10-12］。

根據(jù)膜表面的潤濕性，油水分離膜可分為親水疏油膜和疏水親油膜［13-15］。其中親水表面的構(gòu)建不僅能使分離膜具備良好的抗油污性能，還能增加分離效率和通量。本文利用水解的苯乙烯-馬來酸酐共聚物［hydrolyzed poly（styrene-comaleic anhydride），H-PSMA］和 聚 乙 烯 醇（polyvinylalcohol，PVA）的復合物［hydrolyzed poly（styrene-co-maleic anhydride）/polyvinylalcohol，HPSMA/PVA］對聚丙烯（polypropylene，PP）膜進行親水-疏油改性，加入戊二醛（glutaraldehyde，GA）作為交聯(lián)劑，使制備的復合物膜具備良好的機械性能；使用所制備的復合物膜進行水包油乳液分離，具有高的油水分離效率和良好的可重復利用性能。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

苯乙烯-馬來酸酐共聚物［poly（styrene-comaleic anhydride），PSMA］，實驗室自制［16］；聚乙烯醇（polyvinylalcohol，PVA-1799，阿拉丁試劑有限公司）；氨水，甲苯，硫酸，二氯甲烷，無水乙醇（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）；十二烷基磺酸鈉（分析純，上海麥克林生化科技有限公司）；石蠟油（衡水圣康化工有限公司）；PP 膜（孔徑0.45 μm，直徑50 mm，浙江海寧益博過濾器材廠），使用前在無水乙醇溶液中浸泡30 min，再用去離子水反復沖洗，烘干后備用。

1.2 實驗方法

1.2.1 H-PSMA 的制備 將2 g PSMA、100 mL 去離子水和6 mL 氨水依次加入三口燒瓶中，50 ℃下恒溫攪拌0.5 h，待白色固體完全溶解即水解完全。滴加數(shù)滴硫酸溶液，有白色固體物質(zhì)產(chǎn)生，即為產(chǎn)物H-PSMA［17］，冷卻至室溫，抽濾，用去離子水洗滌2 次，50 ℃下真空干燥得到產(chǎn)物H-PSMA。合成反應如圖1 所示。

圖1 H-PSMA 的合成反應Fig.1 Synthesis reaction of H-PSMA

1.2.2 H-PSMA/PVA/PP 復合膜的制備 取1 g H-PSMA 和一定量PVA 溶于15 mL 去離子水中，90 ℃下攪拌1 h 使其完全溶解，冷卻至室溫，將一定量的戊二醛水溶液稀釋至5 mL，加入到上述混合物溶液中，常溫下攪拌均勻。將PP 膜浸入該溶液2 min，放在砂芯漏斗上抽濾30 s，如此反復3 次，取出后常溫下放置干燥12 h。復合物的交聯(lián)反應式如圖2 所示。

圖2 H-PSMA/PVA/GA 復合物交聯(lián)反應式Fig.2 Crosslinking reaction formula of H-PSMA/PVA/GA complex

1.2.3 油水乳液的制備 在99 mL 去離子水中加入1 mL 油（甲苯）和0.05 g 十二烷基磺酸鈉，高速攪拌6 h，得到乳白色的油水乳液，室溫下穩(wěn)定時間72 h 以上［18］。

1.3 儀器與表征

采用美國PerkinElmer 公司Spectrum Two 型傅里葉變換紅外光譜儀（Fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)T-IR）分 別 測 定PSMA、H-PSMA、PVA 和H-PSMA/PVA/GA 交聯(lián)復合物的紅外光譜，溴化鉀壓片法；利用索式提取器分別測定了不同PVA 和GA 含量下H-PSMA/PVA 復合物的凝膠含量；采用光學接觸角測量儀（DSA100 型，德國KRUSS 公司）分別測定空氣中復合物分離膜表面水、石蠟油的接觸角和水下二氯甲烷的接觸角。采用紫外分光光度計（Lambda35，Perkin Elmer）測定了油水乳液分離后的水中甲苯的質(zhì)量濃度。

取一定量H-PSMA/PVA/GA 復合物，剪碎用脫脂濾紙包裹放入提取器內(nèi)，提取瓶內(nèi)加入適量去離子水，90 ℃提取12 h，根據(jù)式（1）計算凝膠含量w［19］：

式（1）中：m0為復合物提取前的質(zhì)量，m1為復合物提取后的質(zhì)量。

取30 mL 油水乳液倒入油水分離裝置中，在0.1 MPa 壓力下分離油水乳液，測試后的分離膜在去離子水中室溫下100 Hz 超聲處理30 min，供下次循環(huán)使用。通過紫外分光光度計測量分離后水中甲苯的質(zhì)量濃度，根據(jù)式（2）計算分離效率η：

式（2）中：ρ0表示分離前油水乳液中的甲苯質(zhì)量濃度，ρ1表示分離后的水中的甲苯質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 FT-TR 分析

圖3 為PSMA、H-PSMA、PVA 和H-PSMA/PVA/GA 交 聯(lián) 產(chǎn) 物 的FT-IR 圖 譜：1 458、1 507、1 632 cm-1處的吸收峰為苯環(huán)上碳碳鍵面內(nèi)伸縮振動吸收峰；767、701 cm-1處為單取代苯環(huán)上碳氫鍵的面外彎曲振動峰，1 083 cm-1處為苯環(huán)上碳氫鍵的面內(nèi)彎曲振動峰；3 021 cm-1處為苯環(huán)上碳氫鍵的伸縮振動峰；2 922 cm-1處為飽和的碳氫鍵的伸縮振動峰；1 776 cm-1和1 857 cm-1處分別為馬來酸酐中酸酐基團碳氧雙鍵的對稱和反對稱伸縮振動峰，1 220 cm-1為酸酐基團中碳氧單鍵的伸縮振動峰。在水解產(chǎn)物H-PSMA 的FT-IR 譜圖中，1 776 和1 857 cm-1吸收峰消失，1 720 cm-1處碳氧雙鍵的伸縮振動、1 240 cm-1碳氧單鍵伸縮振動及3 400 cm-1的-OH 伸縮振動強峰說明PSMA 中的酸酐基團已經(jīng)水解為羧基。

圖3 PSMA、H-PSMA、PVA 和H-PSMA/PVA/GA 的FT-IR 圖Fig.3 FT-IR spectra of PSMA，H-PSMA，PVA and H-PSMA/PVA/GA

在PVA 的FT-IR 譜圖中：3 260 cm-1是形成氫鍵的羥基的伸縮振動峰；1 083 cm-1是二級醇羥基的碳氧伸縮振動峰；2 900 cm-1是亞甲基的不對稱伸縮振動峰；1 660 cm-1是羥基的面內(nèi)彎曲振動峰；亞甲基的彎曲振動受羥基影響位移到1 417 cm-1；920 和840 cm-1是間規(guī)序列吸收峰；由于工業(yè)PVA是由醋酸乙烯皂化而來，皂化不完全而殘留的乙酰基團在圖譜中存在1 720 cm-1弱峰。在H-PSMA/PVA/GA 交聯(lián)復合物的FT-IR 圖譜中，1720 cm-1處吸收峰顯著增強，那是由于乙?；鶊F和H-PSMA 中的碳氧雙鍵共同存在的結(jié)果；767 和701 cm-1處是H-PSMA 中單取代苯環(huán)上碳氫鍵的面外彎曲振動峰；3 260 cm-1處羥基吸收峰的減弱說明PVA 和H-PSMA 間以及PVA 自身的羥基間發(fā)生了交聯(lián)反應。

2.2 H-PSMA/PVA/GA 交聯(lián)產(chǎn)物的凝膠含量分析

圖4 為PVA 和GA 用 量 對H-PSMA/PVA/GA交聯(lián)產(chǎn)物的凝膠含量的影響。由圖4 可知，當交聯(lián)劑GA 用量固定時［m（GA）∶m（PVA）=0.57∶1］，隨著PVA 用量［m（PVA）∶m（H-PSMA）］的增加，H-PSMA/PVA/GA 交聯(lián)產(chǎn)物的凝膠含量逐漸上升，當PVA 含量加入到100%，凝膠含量到達92.7%。當PVA 用量固定時［m（PVA）∶m（H-PSMA）=1∶1］，隨 著GA 用 量［m（GA）∶m（PVA）］的 增 加，H-PSMA/PVA/GA 交聯(lián)產(chǎn)物的凝膠含量增加，當GA 用量增至40%時，凝膠含量為92.8%；此后隨著戊二醛的用量繼續(xù)增加，凝膠含量變化不大。這是由于H-PSMA、PVA、GA 三者之間形成了交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（圖2），H-PSMA/PVA/GA 的溶解度降低，凝膠含量增大。

圖4 H-PSMA/PVA/GA 交聯(lián)產(chǎn)物的凝膠含量Fig.4 Gel content of H-PSMA/PVA/GA cross-linking products

2.3 H-PSMA/PVA/PP 復合膜表面潤濕性能分析

圖5 是H-PSMA/PVA/PP 復合膜表面的水、油接觸角與PVA 和GA 含量的關系。

由圖5（a）可知，未改性的PP 膜表面在空氣中的水和油的接觸角分別為94.1o和0o，即表現(xiàn)出疏水性和超親油性，涂覆H-PSMA/PVA 交聯(lián)物改性后的復合膜的水接觸角均小于60o，即表現(xiàn)出親水性；石蠟油的接觸角先升高后降低，但均小于50o。這是因為，一方面，PVA 的加入增加了膜表面的親水性，另一方面，通過GA 的交聯(lián)，也引入了親油性的碳鏈，增加了親油性，即使復合膜在空氣中表現(xiàn)為親水-親油的雙親性能。但改性后的復合膜表面的水下的油接觸角均大于空白PP 膜（120o），即增加了水下疏油性能。

由圖5（b）可知，隨著GA用量［m（GA）∶m（PVA）］的增加，空氣中水的接觸角略有增加，由39.1o增加到51.64o，膜表面始終保持親水性。GA 的含量對空氣中石蠟油的接觸角影響不大，隨著GA 用量的增加，空氣中石蠟油接觸角呈現(xiàn)出略微下降的趨勢。從水中二氯甲烷的接觸角可以看出，當GA 用量為0.2 時，膜表面的水下油接觸角為148o，隨著GA 用量增加，水下油接觸角略有下降。這是由于醛基反應掉了部分羥基，使得膜親油性有所增加。

表1 為m（GA）∶m（PVA）∶m（H-PSMA）=0.225∶1∶1，不同H-PSMA/PVA 質(zhì)量濃度的溶液制備的H-PSMA/PVA/PP 復合膜表面的接觸角：在空氣中，水在復合膜表面的接觸角均小于90o，即表現(xiàn)出親水性；隨著浸膜液質(zhì)量濃度的增加，水的接觸角降低，當質(zhì)量濃度為0.06 g/mL 時，水的接觸角為52.5o。在空氣中油在復合膜表面的接觸角變化不大，表現(xiàn)出親油性。當浸膜液的質(zhì)量濃度為0.04 g/mL 時，復合膜表面在水下的二氯甲烷的接觸角升高到144.93o，接近超疏油性。

圖5 H-PSMA/PVA/PP 復合膜在空氣中的水、油接觸角和水下油接觸角：（a）接觸角與PVA 含量的關系［m（GA）∶m（PVA）=0.57∶1］，（b）接觸角與GA 含量的關系［m（PVA）∶m（H-PSMA）=1∶1）］Fig.5 Water contact angles in air，paraffin oil contact angles in air，dichloromethane contact angles in water of H-PSMA/PVA/PP composite membranes：（a）relationship between contact angle and content of PVA［m（GA）∶m（PVA）=0.57∶1］，（b）relationship between contact angle and content of GA［m（PVA）∶m（H-PSMA）=1∶1］

表1 不同H-PSMA/PVA 質(zhì)量濃度制膜液制備的H-PSMA/PVA/PP 復合膜表面的接觸角Tab.1 Contact angles of H-PSMA/PVA/PP composite membranes prepared with different H-PSMA/PVA mass concentrations

2.4 復合膜的油水分離效率及重復利用率

圖6 為m（GA）∶m（PVA）∶m（H-PSMA）=0.225∶1∶1 時，不同質(zhì)量濃度溶液所制備的H-PSMA/PVA/PP 復合膜的油水分離效率、通量及重復利用率。當油水乳液接觸分離膜時，由于膜的親水疏油性，水在膜表面迅速鋪展形成水膜，致使水源源不斷通過膜孔，而油則被阻隔在膜的上層，實現(xiàn)油水分離［20-21］。由圖6（a）可見，隨著浸膜溶液質(zhì)量濃度增加，膜的通量逐漸降低。這是由于H-PSMA/PVA 水溶液具有一定的黏度，當質(zhì)量濃度增加時，可能會使PP 膜的部分孔徑阻塞，導致通量下降。在同一溶液質(zhì)量濃度下制備的復合膜，處理純水時和分離油水乳液時相比，膜均表現(xiàn)出更高的通量，這是由于在進行油水乳液分離過程中，部分油滴堵塞孔徑所導致，造成了膜通量略有下降。當浸膜溶液質(zhì)量濃度從0.02 g/mL 升高到0.06 g/mL 時，膜的分離效率從98.98%升高到99.88%。表現(xiàn)出良好的油水乳液分離性能。綜合考慮通量，選用質(zhì)量濃度為0.03 g/mL 的分離膜來進行后續(xù)的重復利用率實驗。

圖6（b）表明，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，水-甲苯乳液的分離效率呈現(xiàn)下降趨勢，但始終保持在98.80%以上，表現(xiàn)出良好的分離性能；膜通量隨著循環(huán)次數(shù)略微下降，但仍然在1 700 L·m-2·h-1以上，表現(xiàn)出良好的重復利用性能。

圖6 H-PSMA/PVA/PP 復合膜：（a）對油水乳液的分離效率和通量，（b）重復利用率Fig.6 H-PSMA/PVA/PP composite membranes：（a）separation efficiency of O/W emulsion and flux，（b）recycling rate

3 結(jié) 論

以PSMA 為原料，經(jīng)水解反應制備H-PSMA，再與PVA 復合交聯(lián)，通過浸涂法在PP 膜上成膜，制備出油水分離效果高效的H-PSMA/PVA/PP 復合物膜。當m（GA）∶m（PVA）∶m（H-PSMA）=0.225∶1∶1、成膜溶液的質(zhì)量濃度為0.03 g/mL 時，H-PSMA/PVA/PP 復合膜的初次油水乳液分離效率達到99.40%，當重復分離10 次后，油水乳液分離效率仍在98.83%以上。該復合物分離膜制備工藝過程簡單，成本低廉，環(huán)境友好。