高校化学工程学报    2019, Vol. 33 Issue (2): 475-482  DOI: 10.3969/j.issn.1003-9015.2019.02.028
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引用本文 

王佳倩, 王书浩, 沈红梅, 周勇, 高从堦. 部分嵌入式静电自组装改性聚酰胺反渗透膜[J]. 高校化学工程学报, 2019, 33(2): 475-482. DOI: 10.3969/j.issn.1003-9015.2019.02.028.
WANG Jia-qian, WANG Shu-hao, SHEN Hong-mei, ZHOU Yong, GAO Cong-jie. Modification of polyamide RO membranes by a partially embedded electrostatic self-assembly method[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2019, 33(2): 475-482. DOI: 10.3969/j.issn.1003-9015.2019.02.028.

基金项目

海岛水资源保障技术集成与示范(2016YFC0401508)。

通讯联系人

周勇, E-mail:zhouy@zjut.edu.cn

作者简介

王佳倩(1996-), 女, 安徽宿州人, 浙江工业大学硕士生。

文章历史

收稿日期:2018-07-12;
修订日期:2018-11-14。
部分嵌入式静电自组装改性聚酰胺反渗透膜
王佳倩 , 王书浩 , 沈红梅 , 周勇 , 高从堦     
浙江工业大学 海洋学院,浙江 杭州 310014
摘要:针对聚酰胺反渗透膜(RO)抗阳离子表面活性剂污染能力差的难点,提出改变反渗透膜表面荷电性方法,以聚乙烯亚胺(PEI)的乙醇溶液为电解质溶液,利用部分嵌入式静电自组装法对聚酰胺反渗透膜进行改性。采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、接触角和固体表面Zeta电位对改性反渗透膜的结构和性能进行表征。结果表明,FE-SEM图像显示膜表面形态没有发生变化;XPS元素分峰和含量分析证明了PEI成功组装在反渗透膜上;接触角验证了改性后膜的亲水性增加,Zeta电位证实了改性后膜的荷负电性减小。改性后膜通量和脱盐性能均增加,抗污染性能得到显著改善,并具有耐酸碱稳定性(pH 2~11)。
关键词污染        脱盐    静电自组装    聚乙烯亚胺    
Modification of polyamide RO membranes by a partially embedded electrostatic self-assembly method
WANG Jia-qian , WANG Shu-hao , SHEN Hong-mei , ZHOU Yong , GAO Cong-jie     
The Ocean College, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China
Abstract: In order to improve anti-cationic surfactant pollution performance of polyamide reverse osmosis(RO) membranes, a partially embedded electrostatic self-assembly method was used with polyethyleneimine (PEI)-ethanol solution as the polyelectrolyte solution to modified RO membrane surface. The RO membranes were characterized by field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), contact angle and solid surface Zeta potential. The FE-SEM results show that the surface morphology of the modified membranes is not changed. XPS elemental and content analysis prove that PEI is successfully assembled on membrane surface, while contact angle results verify that the modified membrane shows increased hydrophilicity. Furthermore, zeta potential results confirm the charge-negativity of the modified membrane decreases. The modified membranes have higher flux and salt rejection, better antifouling to cationic surfactants and good stability in acid and base conditions (pH2~11).
Key words: pollution    membranes    desalination    electrostatic self-assembly    polyethyleneimine    
1 前言

静电自组装技术是将带有与膜表面相反电荷的聚电解质溶液沉积在膜表面,这种自组装成膜方法具有改善膜的亲水性、抗污染性、分离性能,对沉积过程及膜结构进行分子级控制等优点[1-3]。如SUN等[4]利用静电自组装技术对反渗透膜改性,制备了一种高选择性、高渗透性的CO2促进传递膜。刘美玲等[5]首先用次氯酸钠溶液对商品化的反渗透膜表面进行氯化处理,然后利用静电吸附作用将聚阳离子电解质壳聚糖吸附在反渗透膜表面,在最佳实验条件下,反渗透膜的通量和截留率均有提高。这种方法虽然有很多优点,但是受pH值、温度等周围环境的影响较大[6-9]。SHULTZ等[10]通过耦合法和吸附法将小分子脂肪胺嵌入到反渗透膜孔内达到对反渗透膜进行改性的目的,改性后的反渗透膜硼截留率显著增加,但是通量下降。

ZHAO等[11]报道了有机溶剂甲醇、甲苯和丙酮前处理对于聚酰胺膜性能的影响,实验结果表明利用有机溶剂对聚酰胺基膜前处理,由于溶胀作用,对通量和截留有显著影响。膜的前处理会使膜的结构、孔径(聚合物链之间的自由体积)以及疏水性发生变化,孔径湿润对于极性溶剂通过疏水多孔膜的传输来说非常重要[12-15]。脂肪醇溶液能使反渗透膜聚合物层发生溶胀作用,在提高其通量的同时不影响反渗透膜的性能[16-17]。聚乙烯亚胺(polyethyleneimine,PEI)是一种具有高反应性、高附着性、高吸附性的水溶性阳离子聚合物,具有极性基团(胺基)和疏水基团(乙烯基),每个PEI单体含有2个C和一个N,其分子链上的伯胺、叔胺、仲胺的比例为1:2:1,都可以质子化,其中胺基可以与反渗透膜羧基反应[18]

本文通过部分嵌入式静电自组装法,在利用醇水混合溶液使膜发生溶胀作用的同时,将小分子PEI部分嵌入到膜孔内,部分胺基吸附在膜表面,制备得到新型聚酰胺反渗透膜,称为改性膜。与初始膜相比,改性膜通量、脱盐性能、抗阳离子表面活性剂污染性能得到改善。这种改性方法工艺简单,与传统的静电自组装法相比具有更好的稳定性。

2 实验 2.1 实验试剂与仪器

聚乙烯亚胺(Mr (相对分子质量) =600、1 800、10 000、70 000;分子直径=(2.06 ± 0.30)、(3.56 ± 0.35)、(6.57 ± 0.08)、(40.59 ± 2.77) nm)、十六烷基三甲基溴化胺(CTAB,wB=99%),购买自上海阿拉丁试剂有限公司。二乙烯三胺(DETA,103.16 g·mol-1),购买自Sigma-Aldrich公司。95%(wB)乙醇、氯化钠(NaCl,AR)、盐酸(HCl,AR)、氢氧化钠(NaOH,AR),购买自杭州汇普化工仪器有限公司。所有实验试剂均为分析纯,直接使用。wB为质量分数。实验用水产自反渗透(RO)系统(pH=5.8±0.2);商业化反渗透膜购买于杭州水处理中心。

2.2 部分嵌入式静电自组装

图 1所示为部分嵌入式静电自组装示意图。首先将95%的乙醇配置成质量分数为75%的乙醇溶液待用。称取一定质量的PEI或DETA溶于75%的乙醇溶液中搅拌均匀;然后将配置好的改性溶液加入到错流过滤装置料液池中过滤,在一定压力下过滤0.5 h。错流过滤装置如图 2所示。

图 1 部分嵌入式静电自组装示意图 Fig.1 Schematic diagram of the partially embedded electrostatic self-assembly process
图 2 错流过滤装置 Fig.2 Schematic diagram of the cross-flow filter 1. pump 2. regulating valve 3. buffer tank 4. testing cell 5. membrane 6. regulating valve 7. penetrant tank 8. piezometer 9. liquid tank
2.3 膜性能评价

实验采用错流过滤装置对反渗透膜的性能进行评价。首先将反渗透膜在去离子水中浸泡12 h以去除储存过程中吸附在膜表面的亚硫酸氢钠。然后将膜装入膜池中,利用错流过滤装置对初始膜的性能进行测试。测试完成后用去离子水冲洗错流装置管道,之后对反渗透膜进行改性。最后用去离子水冲洗错流过滤装置并对改性后的膜进行性能测试。在所有过程中,膜池均不打开。实验在0.8 MPa条件下测试截留性能和通量,所用氯化钠溶质量浓度为2 000 mg·L-1,水温约为27 ℃。在测试之前预压30 min,膜的有效面积为19.63 cm2,氯化钠质量浓度采用电导率仪测量。通量为

$F = \frac{V}{{A \times \Delta t}} $ (1)

式中:F(L·m-2·h-1)为渗透通量,V(L)为渗透液体积,A(m2)为有效膜表面积,Δt(h)为测试时间。截留率为

$R = (1 - \frac{{{\rho _p}}}{{{\rho _f}}}) \times 100\% $ (2)

式中:R(%)为截留率,ρf (mg·L-1)和ρp (mg·L-1)分别为原液和渗透液质量浓度。

2.4 膜稳定性测试

实验通过测试改性膜经过pH=2的HCl溶液以及pH=11的NaOH溶液处理之后的通量及截留率变化来考察PEI或DETA组装的稳定性。具体过程如下:首先测试改性膜对于2 000 mg·L-1 NaCl的渗透选择性,然后用去离子水冲洗错流装置,在料液池中加入配好的HCl或者NaOH溶液,在0.4 MPa下过滤40 min后,用去离子水冲洗错流装置,测试处理后的膜对于2 000 mg·L-1 NaCl的渗透选择性变化情况。

2.5 膜抗污染性能测试

阳离子表面活性剂是常用的模拟污染物[19-21],实验通过测试CTAB对反渗透膜的污染状况来对改性膜的抗污染性能进行评估。具体过程如下:①用2 000 mg·L-1的NaCl溶液分别测试初始膜与改性膜的初始通量和截盐率;②配置500 mg·L-1 CTAB溶液,利用超声装置使CTAB完全溶解于去离子水中;③用去离子水冲洗错流装置后,在料液池中加入CTAB溶液,对通量进行测试;④模拟污染2 h后,常压下用去离子水冲洗1 h;⑤测试污染后膜对于2 000 mg·L-1 NaCl的通量和脱盐率变化情况。

2.6 膜结构表征

X射线光电子能谱(XPS,Escalab250Xi)用来分析从膜表面至深10 nm部分的化学元素组成。接触角测量(OCA15EC,Germany)用来分析膜表面水的静态接触角,即利用微型注射器在膜表面滴下3 μL的水滴,在每张膜的2个不同的位置测量这些液滴的静态接触角,计算平均值。场发射扫描电子显微镜(FE-SEM,Hitachi,SU8010,Japan)用来分析膜的表面形貌,样品表征之前进行喷金处理,工作电压为15 kV。固体表面Zeta电位测试仪(Anton Paar SurPASS 3,Austria)用来分析膜表面电荷特性。

3 结果与讨论 3.1 不同改性溶液对于反渗透膜性能的影响

首先测试了初始膜的性能;然后分别用75%乙醇溶液(A1)、含400 mg·L-1 PEI (Mr =70 000(A3)、10 000 (A4)、1 800(A5)、600(A6))以及DETA的75%乙醇溶液(A2),在压力为0.2 MPa下对反渗透膜进行改性,测试改性膜通量。如图 3所示为反渗透膜的性能测试结果。从图 3(a)中可以看出与初始膜相比,改性膜通量明显增加,这是由于乙醇使反渗透膜聚酰胺层发生溶胀[22-23];与75%乙醇溶液改性膜相比,质量浓度为400 mg×L-1 PEI600的改性膜通量增加最小,这是由于大分子量的PEI难于嵌入膜孔只能吸附于膜表面且易脱落,小分子量的PEI可嵌入膜孔,缩小孔径,PEI600嵌入效果最佳。从图 3(b)中可以看出改性膜的脱盐率略有增加。

图 3 不同改性溶液对反渗透膜通量和截留率的影响 Fig.3 Effects of different solvents on flux and rejection of RO membranes
3.2 膜接触角分析

实验通过测量纯水在反渗透膜表面的静态接触角来表征反渗透膜表面的亲水性,对初始膜及PEI (Mr=600)改性膜测试结果如图 4所示,B1、B2、B3、B4、B5、B6分别为原膜和由200、400、800、1 200、1 600 mg·L-1 PEI溶液改性后的膜。从图 4中可以看出,与初始膜相比,改性膜接触角明显降低,即亲水性增加。这是因为PEI含有极性基团-NH2,吸附在膜表面,使反渗透膜的亲水性增加,而增加膜表面亲水性可以改善膜抗污染性[24-26]。又膜表面-NH2浓度随着PEI浓度的增加而增加,后趋于饱和,因此,亲水性先逐渐增加后趋于平稳。

图 4 不同浓度PEI改性后的反渗透膜接触角 Fig.4 Contact angles of RO membranes modified with different concentrations of PEI
3.3 膜Zeta电位分析

图 5所示为固体表面Zeta电位仪测试得到的初始膜以及不同质量浓度PEI (Mr =600)改性膜的表面电位。从图 5中可以看出,聚酰胺反渗透膜呈荷负电性。经过PEI改性后,反渗透膜表面荷负电性明显减小。如表 1所示为初始膜(M0)和用400 mg·L-1PEI (Mr =600)改性后膜(M1)的XPS分析结果。由XPS表征结果可以看出改性膜中的N元素质量分数增加,而O元素质量分数降低,说明改性膜表面含─NH2增加,所以荷负电性减小。

图 5 不同浓度PEI改性后的反渗透膜Zeta电位 Fig.5 Zeta potentials of RO membranes modified with different concentrations of PEI
表 1 原膜及改性膜的XPS分析结果 Table 1 XPS results of original and modified membranes
3.4 膜表面形貌分析

为了研究PEI对改性反渗透膜表面结构的影响,利用扫描电镜分别对初始膜以及不同质量浓度PEI(Mr =600)改性膜表面形貌进行拍摄,放大倍数为20 000倍,如图 6所示。图 6(a)为初始膜的表面形貌,图 6(b)~(d)分别为质量浓度=400、800、1 600 mg·L-1 PEI改性膜表面形貌,从图中可以看出,改性前后反渗透膜的表面形态没有变化,这说明PEI在表面吸附的量较少,且未改变其表面形态。

图 6 不同浓度PEI改性后的反渗透膜SEM图像 Fig.6 SEM photographs of RO membranes modified with different concentrations of PEI
3.5 X射线光电子能谱分析

为表征聚乙烯亚胺成功组装在反渗透膜上,采用XPS对初始膜与PEI(Mr=600)改性后膜进行表征。如3.3节中表 1分析所述,-NH2增加,这表明PEI成功组装在反渗透膜上。为进一步表征PEI与聚酰胺反渗透膜之间的作用,对O元素和N元素进行窄谱扫描,结果如图 7所示[27-31]

图 7 改性前后反渗透膜的O1s和N1s的高分辨XPS谱 Fig.7 High resolution XPS spectra of O 1s and N 1s of RO membranes before and after modification: (a, c) M0    (b, d) M1

图 7(a)(c)中可以看出,改性前后反渗透膜的O1s峰可以分解成2个峰:N–C=O,O–C=O。主要峰(N–C=O,531.6 eV)为酰胺O=C–N基团,次要峰(O–C=O,533.0 eV)对应羧基O=C–O基团。

图 7(d)中可以看出,改性后反渗透膜的N1s峰可分解为2个峰:N–C,R–N+H3。主要峰(包含N–C=O,400.0 eV,酰胺O=C–N基团;R2–NH基团,399.3 eV,PEI中的C–N–C;氨基R–NH2基团,399.7 eV,PEI中的端氨基;R3–N基团,399.9 eV,PEI中的R3–N)。次要峰(R–N+H3,401.7 eV)对应PEI中的质子化的氨基基团。

结果表明,改性后膜表面的羧基O=C–O基团含量由改性前的27.2%减小为改性后的14.0%, 氨基R–N+H3含量则由0增加为10.8%,这进一步证明了PEI成功组装在膜上,而R–N+H3的存在也是PEI与膜表面羧基基团产生静电结合的一个证据。

3.6 PEI质量浓度对反渗透膜的影响

选取相对分子质量为600的PEI进行进一步实验,分析PEI质量浓度对反渗透膜性能的影响。分别测试了初始膜与改性膜性能,如图 8(a)所示,分别由质量浓度200、400、800、1 200、1 600 mg·L-1 PEI改性后膜通量与初始膜通量之比,图 8(b)中分别由质量浓度200、400、800、1 200、1 600 mg·L-1 PEI改性前后脱盐率。从图中可以看出随着PEI质量浓度的增加,改性膜通量与初始膜通量的比值先增加,后趋于稳定。这是由于开始时,反渗透膜表面-NH2含量随着PE质量浓度的增加而增加,亲水性增加,在通常情况下,亲水性增加会使膜的通量增加;由接触角测试结果可以看出,当PEI质量浓度大于800 mg·L-1时,亲水性趋于稳定,因此,通量趋于稳定。改性后膜的脱盐率基本不变,这是因为随着PEI质量浓度的增加,膜表面的Zeta电位先增加后趋于稳定(图 5),导致膜表面对盐的静电排斥先减小后趋于稳定,而膜的通量也是先增加后趋于稳定,水和盐的相对传递保持不变,因此脱盐率基本不变。

图 8 PEI浓度对反渗透膜通量和脱盐率的影响 Fig.8 Effects of PEI concentration on flux and rejection
3.7 膜的抗污染性能

对初始膜和PEI改性后的膜进行抗污染性能分析,可得出PEI改性膜抗阳离子污染性能更好。如图 9所示为初始膜、1 600 mg·L-1 PEI (Mr =600)改性膜的抗污染性能测试结果。从图 9中可以看出加入CTAB之后,初始膜的通量出现了较大的衰减,这是由于CTAB的加入增加了反渗透膜的渗透压,造成推动力的下降。在整个污染过程中,初始膜和改性膜在污染过程开始时,通量都有下降,在污染过程结束时,初始膜的通量下降到初始值的55.5%,而经过Mr =600的PEI改性后的膜通量仅下降到初始值的78.5%。但是经过清洗之后,初始膜的通量并没有恢复,PEI改性膜的通量有所恢复。由之前表征可知,反渗透膜的抗污染性之所以提高是由于膜表面的亲水性增加,延缓了CTAB在膜表面的吸附;另一方面,反渗透膜表面荷负电,荷正电的CTAB与反渗透膜之间的静电引力有利于吸附,而改性膜的荷负电性减小,削弱了他们之间的静电引力,从而减少了膜对于CTAB的吸附[32-36]

图 9 原膜与改性膜抗污染性能测试 Fig.9 Anti fouling test of original and modified membrane
3.8 膜的稳定性

对PEI (Mr =600)改性膜稳定性进行测试,结果发现利用pH=2的HCl溶液对改性膜进行处理后,其通量上升,在80 min后开始稳定,上升约为3 L·m-2·h-1,而脱盐率初始时出现明显下降,在120 min后保持稳定,下降约为1%;利用pH=11的NaOH溶液对改性膜进行处理后,其通量和截盐率基本保持不变。如图 10所示为PEI (Mr =600)质量浓度为200 mg·L-1改性膜稳定性测试结果。说明改性后嵌在膜中的PEI不易脱落,膜具有良好的酸碱稳定性。

图 10 改性膜稳定性测试 Fig.10 Stability test results of the modified membranes
4 结论

以商业化反渗透膜为初始膜,通过锚式静电自组装法对其改性。乙醇使反渗透膜发生溶胀的同时,施加压力使聚乙烯亚胺部分进入反渗透膜孔,部分胺基在反渗透膜表面与羧基静电结合,增加了反渗透膜的荷电性和亲水性,因此,增加了反渗透膜的抗阳离子表面活性剂污染性能。反渗透膜渗透分离性能测试结果表明,改性膜的通量有显著提高,脱盐率略有增加,并具有更好的稳定性。当PEI的 Mr =600时,改性效果最好。

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