一種改善有機納濾膜分離性能的方法
2023-05-27 10:57:41 1
專利名稱：一種改善有機納濾膜分離性能的方法
技術領域：
本發明涉及一種改善有機納濾膜分離 性能的方法，屬於膜分離技術領域。
背景技術：
膜分離技術是材料、化工和過程工程等諸多學科交叉結合、相互滲透而產生的新興學科，是解決當代能源、資源和環境問題的重要高新技術。而納米無機一有機複合膜在膜分離技術中的應用尤顯突出。由於納米粒子具有比表面積大、表面活性原子處於高度活化狀態、與聚合物的界面相互作用強等特性，採用無機納米粒子作為增強相，使其均勻分散在有機主體相中，可以提高與基體的界面粘結，使應力更好地傳遞給無機粒子，提高複合膜的滲透性，同時增加膜的柔韌性和使用壽命，降低成本。貴金屬納米粒子因為其獨特的由表面等離子體共振誘導的光學性質和諸多潛在應用而受到社會廣泛的關注。如納米銀和納米金等材料，可以吸收光能並將之有效地轉化為熱能。在光線的照射下，金屬納米粒子中的導電電子在一個共振頻率下發生機體震蕩，弓丨發表面等離子體，當表面等離子體與入射光頻率一致，就會產生強烈的光吸收和共振頻率附近的散射，並且誘導了納米粒子表面的強烈的場加強。等離子加熱現已應用於成像、感應、藥物釋放和腫瘤消除。在膜技術中，能夠做到增加膜的水通量而不降低其選擇性是很難的。通常分離膜的截留率越高，或截留分子量越低，膜的通量越低。由於溫度影響溶劑粘度、擴散係數和聚合物鏈的流動性以及膜孔尺寸大小，因此一般通過提高料液溫度來增大膜的滲透通量，但通常截留率隨膜滲透通量的升高而有所降低。此外，在有些情況下，加熱進料雖然簡單但實際不可行，如大規模的水淨化過程和海水脫鹽過程；而且對於一些不耐熱的化合物(蛋白質等)也是不可行的。在專利CN101623605A中涉及到一種高通量高截留率海綿狀聚偏氟乙烯的製備方法，對傳統聚偏氟乙烯膜而言，截留率和膜通量得到同時提高，但仍局限於改變膜材料和膜結構的傳統方法來提高膜通量或截留率，未充分發掘膜分離性能的提升空間。在專利CN1287381A中涉及到一種雷射熱處理用光學系統和雷射熱處理裝置，闡述了光熱處理系統的原理並將其應用於半導體膜材料，但未涉及將光熱效應用於膜分離技術。
發明內容
針對現有膜分離技術中存在的局限性，本發明利用金屬納米粒子的光熱效應提供了一種改善有機納濾膜分離性能的方法，使有機納濾膜在截留率無明顯變化的情況下，膜通量得到大大提高，克服膜通量和截留率的「逆向效應」。本發明的技術方案
一種改善有機納濾膜分離性能的方法，包括以下操作步驟
(1)採用具有光熱效應的納米金屬粒子製備納米無機一有機複合納濾膜；
(2)將納米無機一有機複合納濾膜置於需要過濾的料液中浸泡；(3)安裝過濾裝置，用雷射照射納米無機一有機複合納濾膜的上表面，調節雷射強度，開始過濾；
雷射發射端和納米無機一有機複合納濾膜上表面之間的過濾裝置的部件選用透明材質，以保證雷射能透過過濾裝置照射在納米無機一有機複合納濾膜的上表面。上述的一種改善有機納濾膜分離性能的方法中，雷射強度是根據所需的納米無機一有機複合納濾膜的溫度來確定的；通過改變雷射功率和雷射束髮射點與膜表面的距離進行調節。所述納米無機一有機複合納濾膜的溫度，不能超過其自身的最高耐受溫度，且不能超過料液的最高耐受溫度。雖然雷射只針對膜加熱，料液的溫度基本不變，但是在料液通過膜的時候會受到膜的溫度的影響，因此要考慮料液的耐受溫度。上述的一種改善有機納濾膜分離性能的方法中，所述雷射優選為氬離子雷射，氬離雷射強度優選為0. r2. 5W/cm2。上述的一種改善有機納濾膜分離性能的方法中，所述雷射發射端優選位於納米無 機一有機複合納濾膜上表面的正上方；所述雷射的波長優選與納米無機一有機複合納濾膜中納米金屬粒子表面的等離子共振效應吸收波長一致。 上述的一種改善有機納濾膜分離性能的方法中，所述納米無機一有機複合納濾膜優選為醋酸纖維素類或聚醯胺類；所述納米金屬粒子優選為金或銀納米粒子。上述的一種改善有機納濾膜分離性能的方法中，所述金屬粒子的含量優選為0. I 0. 5wt% ;所述金屬粒子的尺寸優選為l(Tl00nm。上述的一種改善有機納濾膜分離性能的方法中，納米無機一有機複合納濾膜在需要過濾的料液中的浸泡時間優選為24小時以上。本發明的有益效果
利用金屬納米粒子的光熱效應對納米無機一有機複合納濾膜加熱，實現了在料液溫度不升高的情況下單獨對膜加熱。膜溫度的升高會降低過濾分子和膜聚合物鏈之間的摩擦力，因此，膜的滲透通量會隨溫度的升高而增大。當所需過濾的料液為有機溶液時，滲透通量的增大尤為明顯。實施例表明，採用雷射加熱的膜的滲透通量最高可達未加熱膜的滲透容量的3倍之多。由於只對納米無機一有機複合納濾膜加熱而料液溫度沒有升高，因此料液的粘度、擴散係數沒有變化；所以截留率(主要在於膜表面孔的截留、低親和性或靜電排斥)隨著納濾膜溫度的升高基本無變化。本發明所涉及的膜的分離性能的改善是由膜溫度升高引起的，而不是源於任何一種膜的改性或膜孔的形成，因為當停止雷射輻射時，膜通量會恢復到未進行雷射輻射時的水平，充分體現了本發明的應用靈活性和對膜的穩定性。尤其對熱容低、導熱係數低的溶劑和低通量的膜，具有重要意義的應用價值。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。本發明所涉及的納米無機一有機複合納濾膜可根據現有文獻等材料中公開的方法進行製備，屬於現有技術，在此不再贅述。此外在每種料液過濾前，需將膜浸在該種料液中，使膜達到溼膜可用狀態。雷射加熱時，納米無機一有機複合納濾膜的溫度不超過其使用溫度(膜材料的耐受溫度)。實施例I採用的料液為純水、異丙醇、溴百裡酚藍乙醇溶液。在玻璃過濾裝置中，將金含量為0. 44wt%、納米金的尺寸為20-30nm的納米無機一醋酸纖維素複合納濾平板溼膜附於絕緣表面上，用密封圈密封。過濾裝置頂部設有一透明玻璃窗，使連續的氬離子雷射束(波長為514nm)照射在膜上表面。通過調整雷射的功率和雷射束髮射端與膜表面的距離，將雷射強度調整為0. 2W/cm2，使膜的溫度達到42°C。測得水通量平均值為0. 38 (Ln^bai^tT1)，異丙醇的通量平均值為0. 30 (Ln^barH，對溴百裡酚藍(BTB，35微米，632g/mol)的截留率平均值為80. 5%。未用雷射照射時水通量平均值為0.異丙醇的通量平均值為0. 08(Ln^bar-V1，對溴百裡酚藍的截留率為80. 5%。實施例2
採用的料液為異丙醇、溴百裡酚藍乙醇溶液。在玻璃過濾裝置中，將銀含量為0. lwt%,納米銀的尺寸為70-80nm的納米銀一聚醯亞胺納濾平板膜附於絕緣表面上，用氟橡膠0型密封圈密封。裝置頂部設有一透明玻璃窗，可通過鏡面反射使連續的氬離子雷射束(波長為425nm)照射在膜表面上。通過調整不同的功率和雷射束通過透鏡與膜表面的不同距離，將雷射強度調整為0. 13W/cm2，使膜達到36°C。測得異丙醇的通量為0. 25 (Ln^bai^tT1)。對溴百裡酚藍(BTB，35微米，632g/mol)的截留率平均值為82. 7%。未用雷射照射時異丙醇的通量為0.21 (Ln^bar—V1)。對溴百裡酚藍的截留率平均值為82. 7%。實施例3
採用的料液為異丙醇、溴百裡酚藍乙醇溶液。在特定的玻璃過濾裝置中，將金含量為0. 2wt%，納米金的尺寸為20-30nm的納米金一聚醯亞胺複合納濾平板膜附於絕緣表面上，用氟橡膠0型密封圈密封。裝置頂部設有一透明玻璃窗，可通過鏡面反射使連續的氬離子雷射束(波長為514nm)照射在膜表面上。通過調整不同的功率和雷射束通過透鏡與膜表面的不同距離，將雷射強度調整為0. 16W/cm2，使膜達到40°C。測得異丙醇的通量為0. 28(Ln^bar-V1)，對溴百裡酚藍(BTB，35微米，632g/mol)的截留率平均值為84. 3%。未用雷射照射時異丙醇的通量為0. 22 (Ln^barH，對溴百裡酚藍的截留率平均值為84. 3%。實施例4
採用的料液為異丙醇、溴百裡酚藍乙醇溶液。在特定的玻璃過濾裝置中，將銀含量為0. 4wt%，納米銀的尺寸為26-36nm的的聚醯亞胺納濾平板溼膜附於絕緣表面上，用氟橡膠0型密封圈密封。裝置頂部設有一透明玻璃窗，可通過鏡面反射使連續的氬離子雷射束(波長為425nm)照射在膜表面上。通過調整不同的功率和雷射束通過透鏡與膜表面的不同距離，將雷射強度調整為0. 22ff/cm2,使膜達到40°C。測得異丙醇的通量為0. 92 (Ln^bai^tT1)，對溴百裡酚藍(BTB，35微米，632g/mol)的截留率為72. 4%。未用雷射照射時異丙醇的通量為0.69 (Ln^bai^tT1)，對溴百裡酚藍的截留率為72. 7%。
權利要求
1.一種改善有機納濾膜分離性能的方法，其特徵在於，包括以下操作步驟 (1)採用具有光熱效應的納米金屬粒子製備納米無機一有機複合納濾膜； (2)將納米無機一有機複合納濾膜置於需要過濾的料液中浸泡； (3)安裝過濾裝置，用雷射照射納米無機一有機複合納濾膜的上表面，調節雷射的波長、強度，開始過濾； 雷射發射端和納米無機一有機複合納濾膜上表面之間的過濾裝置的部件選用透明材質。
2.根據權利要求I所述的改善有機納濾膜分離性能的方法，其特徵在於，所述雷射為氬離子雷射，氬離雷射強度為O. Γ2. 5W/cm2。
3.根據權利要求I或2所述的改善有機納濾膜分離性能的方法，其特徵在於，所述雷射發射端位於納米無機一有機複合納濾膜上表面的正上方；所述雷射的波長與納米無機一有機複合納濾膜中納米金屬粒子表面的等離子共振效應吸收波長一致。
4.根據權利要求I所述的改善有機納濾膜分離性能的方法，其特徵在於，所述納米無機一有機複合納濾膜為醋酸纖維素類或聚醯胺類；所述納米金屬粒子為金或銀納米粒子。
5.根據權利要求I或4所述的改善有機納濾膜分離性能的方法，其特徵在於，所述金屬粒子的含量為O. Γ0. 5wt% ;所述金屬粒子的尺寸為l(Tl00nm。
6.根據權利要求I所述的改善有機納濾膜分離性能的方法，其特徵在於，納米無機一有機複合納濾膜在需要過濾的料液中的浸泡時間為24小時以上。
全文摘要
本發明涉及一種改善有機納濾膜分離性能的方法，屬於膜分離技術領域。針對現有膜分離技術中存在的局限性，本發明利用金屬納米粒子的光熱效應提供了一種改善有機納濾膜分離性能的方法，在過濾的同時用雷射照射納米無機—有機複合納濾膜的上表面，雷射發射端和納米無機—有機複合納濾膜上表面之間的過濾裝置的部件選用透明材質，以保證雷射能透過過濾裝置照射在納米無機—有機複合納濾膜的上表面。本發明所涉及的膜的分離性能的改善是由膜溫度升高引起的，而不是源於任何一種膜的改性或膜孔的形成，使有機納濾膜在截留率無明顯變化的情況下，膜通量得到大大提高，克服膜通量和截留率的「逆向效應」。
文檔編號B01D67/00GK102755837SQ20121024397
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月16日 優先權日2012年7月16日
發明者李平, 趙乾 申請人:濟南大學