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CN110975651B - 一种多功能高效污水处理膜及其制备方法 - Google Patents

一种多功能高效污水处理膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多功能高效污水处理膜及其制备方法。我们以聚丙烯腈、聚苯胺、聚丙烯酸和聚乙烯亚胺为原材料，首先利用静电纺丝技术制备了一种丝径均匀且孔隙率极高的聚丙烯腈纳米纤维膜，然后在聚丙烯腈纤维骨架上原位聚合生长聚苯胺纳米颗粒，最后通过化学接枝的方法在膜表面依次修饰聚丙烯酸和聚乙烯亚胺。利用它们优异的吸水性和对重金属离子与有机染料的选择吸附性，实现对重金属离子、有机染料和污油的高效分离，分离后的水可以达到国家污水排放标准。此外该复合纤维膜还具有超强抗油污性和耐酸碱性，制备方法简单，在实际的工业生产中具有很好的应用前景。

Description

一种多功能高效污水处理膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种污水处理材料，具体涉及一种多功能高效污水处理膜及其制备方法，属于新材料技术领域。
背景技术
随着制造业的快速扩张和溢油事故的频发，重金属离子、有机染料和含油污水的排放已经严重威胁到生态系统和人类健康。此外，人口和经济的快速增长导致人们对清洁水的需求量不断增大。因此，开发多功能高效污水处理材料具有重大意义。
膜分离技术具有能耗低、出水含油量少、分离效率高、浓缩液可回收的优点，被认为是污水处理领域最具潜力的新技术。目前研究的分离膜主要有陶瓷膜、相转化膜、无纺布膜和电纺纤维膜。其中，电纺纤维膜是利用静电纺丝技术制备的具有微纳米孔和超高孔隙率(～90％)的聚合物纤维膜，在污水处理中展现出独有的优势，受到了国内外的广泛关注。研究表明，静电纺丝法制备的多孔纤维膜的分离通量约比现有商业膜的通量(约300升每平方米每小时)高一个数量级。然而，现有分离膜均存在功能单一、易受污染、使用寿命低等问题。因此，研发具有超强抗油污性的多功能高效污水处理膜是推动其工业化应用的关键。
纤维膜对重金属离子、有机染料和含油污水分离性能主要受表面化学成分和表面结构影响。因此，可通过调控纤维膜的表面结构及化学性质，从而提升纤维膜的污水处理性能。聚丙烯腈、聚苯胺、聚丙烯酸和聚乙烯亚胺均具有优异亲水性和吸水性的聚合物，此外，他们还具有优异的重金属离子和有机染料吸附性能。
因此，我们首先通过静电纺丝技术制备聚丙烯腈多孔纤维膜，然后在聚丙烯腈纤维骨架上原位聚合生长聚苯胺纳米颗粒，最后通过化学接枝的方法在膜表面依次修饰聚丙烯酸和聚乙烯亚胺。获得的聚丙烯腈/聚苯胺/聚丙烯酸/聚乙烯亚胺复合纤维膜具有多种功能，可以同时对重金属离子、有机染料和污油实现分离，而且该复合膜还具有优异的抗油粘附性，能够长时间地对体相复杂的含油污水实现高效快速分离，分离后的水可以达到国家污水排放标准，因此，在实际的工业生产中具有很好的应用前景。
发明内容
本发明目的是采用一种简单易行、低成本的方法制备一种能够同时对重金属离子、有机染料和污油实现分离的多功能高效污水处理膜。
下面简要阐明本发明的实现过程。首先通过静电纺丝技术制备聚丙烯腈多孔纤维膜，然后在聚丙烯腈纤维骨架上原位聚合生长聚苯胺纳米颗粒，最后通过化学接枝的方法在膜表面依次修饰聚丙烯酸和聚乙烯亚胺，获得聚丙烯腈/聚苯胺/聚丙烯酸/聚乙烯亚胺复合纤维膜，实现对重金属离子、有机染料和污油的高效分离。
本发明涉及一种多功能高效污水处理膜及其制备方法，其通过以下具体步骤实现：
(1)将聚丙烯腈溶于二甲基甲酰胺，聚丙烯腈的质量分数为5％～20％，在常温下磁力搅拌6～24小时，得到聚丙烯腈前驱液。
(2)注射器内吸取聚丙烯腈前驱液，并安装18～24号针头；将注射器装入静电纺丝设备的注射泵中；调整注射泵的推进速度为0.5～5毫升每小时；平移距离设为10～20厘米；调整针头到转辊接收器的距离为10～20厘米；在转辊接收器上覆盖一层锡箔纸，调整转辊接收器转动速度为40～80转每分钟；将高压电源的正高压接于注射器针头，调整电压为10～18千伏；将高压电源的负高压接于转辊接收器，调整电压为-1～-5千伏；纺丝时间1～5小时，得到聚丙烯腈纤维膜。
(3)分别配制0.1～1克每升的聚丙烯酸水溶液和0.2～2克每升的聚乙烯亚胺水溶液，并调节它们的pH值为5；将聚丙烯腈膜先浸入聚丙烯酸水溶液中，在室温下反应1～5小时；然后再浸入聚乙烯亚胺水溶液中，在室温下反应1～5小时，最后用去离子水清洗干燥即可。
本发明目的是采用一种简单易行、低成本的方法制备一种能够同时对重金属离子、有机染料和污油实现分离的多功能高效污水处理膜，其在含油污水处理方面具有很大的应用价值。
附图说明：
附图1为依据本发明所制备的复合纤维膜及其扫描电子显微镜图片。
附图2为本发明所提供的复合纤维膜的红外光谱表征结果。
附图3给出了复合纤维膜对体相复杂的的含油污水的分离性能及含油污水分离过程图。
具体实施方式：
下面结附图和实施来详细描述本发明。
实施例1，称取0.526克聚丙烯腈加入到5毫升二甲基甲酰胺溶液中，在常温下磁力搅拌12小时，得到聚丙烯腈前驱液。用规格为5毫升的注射器吸取聚丙烯腈前驱液，并安装21号针头；将注射器装入静电纺丝设备的注射泵中；调整注射泵的推进速度为1毫升每小时；平移距离设为10厘米；调整针头到接收器的距离为12厘米；在转辊接收器上覆盖一层锡箔纸，调整接收器转动速度为60转每分钟；将高压电源的正高压接于注射器针头，调整电压为12千伏；将高压电源的负高压接于转辊接收器，调整电压为-2千伏；启动注射泵系统，在40℃条件下纺丝2小时；纺丝完成后从转辊接收器上揭下锡箔纸及其上的多孔纤维膜，在干燥箱中80℃条件下干燥12小时待用。分别配制0.5克每升的聚丙烯酸水溶液和0.5克每升的聚乙烯亚胺水溶液，并加入硫酸调节它们的pH值为5；将聚丙烯腈膜先浸入聚丙烯酸水溶液中，在室温下反应2小时；然后再浸入聚乙烯亚胺水溶液中，在室温下反应2小时，最后用去离子水清洗干燥即可。
附图1为依据本发明所制备的复合纤维膜及其扫描电子显微镜图片。从图中可以看到，纤维膜孔隙率高、孔径小；纤维直径均匀，约为800纳米；纤维表面生长了颗粒状的聚苯胺纳米颗粒，其大小均匀，约为100纳米，这些微纳孔径和结构有助于提升膜对重金属离子、有机染料和污油的分离效果。
附图2为本发明所提供的复合纤维膜的红外光谱表征结果。从图中可以看到，获得的复合纤维膜具有亲水性官能团，如氨基、羟基和羧基等，这些基团有助于提升膜对重金属离子、有机染料和污油的分离效果。
附图3给出了复合纤维膜对体相复杂的的含油污水的分离性能及含油污水分离过程图。从图中可以看到，纤维膜具有优异的油水乳液和有机染料分离性能，分离效率均超过99％，此外还具有优异的重金属离子吸附性能，分离之后的水能够达到国家污水排放标准。

Claims (1)

1.一种多功能高效污水处理膜及其制备方法，具体通过以下方法获得：
(1)将聚丙烯腈溶于二甲基甲酰胺，聚丙烯腈的质量分数为5％～20％，在常温下磁力搅拌6～24小时，得到聚丙烯腈前驱液；
(2)注射器内吸取聚丙烯腈前驱液，并安装18～24号针头；将注射器装入静电纺丝设备的注射泵中；调整注射泵的推进速度为0.5～5毫升每小时；平移距离设为10～20厘米；调整针头到转辊接收器的距离为10～20厘米；在转辊接收器上覆盖一层锡箔纸，调整转辊接收器转动速度为40～80转每分钟；将高压电源的正高压接于注射器针头，调整电压为10～18千伏；将高压电源的负高压接于转辊接收器，调整电压为-1～-5千伏；纺丝时间1～5小时，得到聚丙烯腈纤维膜，然后在该膜表面原位聚合生长聚苯胺纳米颗粒；
(3)分别配制0.1～1克每升的聚丙烯酸水溶液和0.2～2克每升的聚乙烯亚胺水溶液，并调节它们的pH值为5；将聚丙烯腈膜先浸入聚丙烯酸水溶液中，在室温下反应1～5小时；然后再浸入聚乙烯亚胺水溶液中，在室温下反应1～5小时，最后用去离子水清洗干燥。
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