康 永
榆林市瀚霆化工技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司,陜西榆林 718100
工業(yè)上最廉價(jià)的超濾膜材料是聚砜,它具有以下優(yōu)點(diǎn):價(jià)格低廉且易獲得,相對(duì)于其他材料它的機(jī)械強(qiáng)度、抗壓密性以及耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性都非常好,它使用的pH范圍也很寬(pH為2~12);但也存在缺點(diǎn),憎水性使疏水溶質(zhì)易在膜表面產(chǎn)生吸附和沉積,阻塞膜孔造成膜污染,使膜的性能降低,壽命縮短,利用率下降,因此聚砜膜的改性非常重要,受到廣大科研人員的重視。目前,二氧化鈦(TiO2)是研究最為廣泛的一種無(wú)機(jī)材料,因?yàn)門(mén)iO2具有很多優(yōu)點(diǎn),包括無(wú)毒、無(wú)光腐蝕;抗菌、光催化性;防紫外線(xiàn)、超親水性[1];能夠降解大多數(shù)有機(jī)污染物 ;在苛刻件下的穩(wěn)定性 ;商業(yè)實(shí)用性,易于制備等優(yōu)勢(shì)。在水處理和膜技術(shù)中TiO2被越來(lái)越多的人應(yīng)用,其中有人研究并報(bào)道了納米TiO2作為催化劑光催化降解水中頑固的污染物[2-3]。通過(guò)研究表明,膜的親水性因?yàn)門(mén)iO2與高分子超濾膜的復(fù)合得到了顯著的改善[4],同時(shí)在鑄膜液中添加適當(dāng)?shù)母叻肿犹砑觿┯兄诟牧糚SF超濾膜的截留率與滲透性,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和聚乙二醇(PEG)[5-8]是常用的高分子添加劑[9]。引入高分子添加劑后鑄膜液的性質(zhì)發(fā)生了改變,對(duì)成膜動(dòng)力學(xué)過(guò)程也有一定的影響,從而決定了超濾膜的微觀(guān)結(jié)構(gòu)與性能。除此之外,超濾膜的制備條件特別是溫度,顯著影響著鑄膜液的性質(zhì)與超濾膜的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。因此為了明確改性劑TiO2的作用機(jī)制在研究成膜機(jī)制方面的意義,需要深入研究TiO2的濃度和凝膠浴溫度對(duì)鑄膜液動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)的影響。
本文主要以PVP高分子聚合物為成孔劑,采用濁點(diǎn)滴定法繪制三元相圖,通過(guò)控制改性劑TiO2的濃度以及溫度研究L-S相轉(zhuǎn)化法成膜過(guò)程熱力學(xué)機(jī)理;以PEG高分子聚合物為成孔劑,通過(guò)控制改性劑TiO2的濃度、凝膠浴溫度和揮發(fā)時(shí)間來(lái)研究L-S相轉(zhuǎn)化法成膜過(guò)程中PEG的溶出動(dòng)力學(xué),以實(shí)現(xiàn)通過(guò)添加改性劑調(diào)整鑄膜液的組成及控制成膜外部條件改變超濾膜的結(jié)構(gòu),增強(qiáng)超濾膜性能,延長(zhǎng)超濾膜壽命,提高超濾膜利用率,以及通過(guò)研究高分子聚合物的溶出動(dòng)力學(xué)來(lái)確定聚合物固化成膜的相分離過(guò)程,為將來(lái)探究高分子聚合物溶出速率對(duì)膜結(jié)構(gòu)和性能的影響做好充分的準(zhǔn)備。
聚砜(PSF),黏度系數(shù)為0.63,大連聚砜塑料有限公司;二甲基乙酰胺(DMAc),分析純,天津市廣成化學(xué)試劑有限公司;聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、次硝酸鉍,均為分析純,改性劑TiO2,天津市博迪化工有限公司;聚乙二醇,化學(xué)純,天津市科密歐化學(xué)試劑開(kāi)發(fā)中心;冰醋酸,分析純,萊陽(yáng)市康德化工有限公司;碘化鉀,分析純,天津市永大化學(xué)試劑有限公司;去離子水,自制,青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院。
SCM杯式超濾系統(tǒng),中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用物理研究所;UV2102C紫外分光光度計(jì),尤尼柯(上海)儀器有限公司。
1.2.1鑄膜液的制備過(guò)程
根據(jù)一定的配比配置不同TiO2濃度的鑄膜液,總質(zhì)量為40 g,配比分別為PSF 16%,即6.4 g;PVP(PEG)為10%,即4 g;DMAc分別為73.9%,73.8%,73.7%,73.6%,即質(zhì)量分別為29.56,29.52,29.48,29.44 g;TiO2質(zhì)量比分別為0.1%,0.2%,0.3%,0.4%,即質(zhì)量為0.04,0.08,0.12,0.16 g。實(shí)驗(yàn)步驟如下:先將PSF放在電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干,溫度設(shè)置為80 ℃,時(shí)間為6 h;待PSF烘干后放入干燥器內(nèi)冷卻,稱(chēng)取DMAc質(zhì)量分別為29.56,29.52,29.48,29.44 g放在80 mL小燒杯中,放入轉(zhuǎn)子,用塑料薄膜將其封住,放在磁力攪拌器上,稱(chēng)取PVP(PEG) 4 g,邊攪拌邊加入PSF,為使其充分溶解需加熱攪拌,待PVP(PEG)溶解后,稱(chēng)取TiO2質(zhì)量分別為0.04,0.08,0.12,0.16 g分別加入到對(duì)應(yīng)的DMAc溶液中,待TiO2溶解,溶液由透明變?yōu)榛鞚岬娜榘咨珪r(shí)稱(chēng)取PSF 6.4 g加入小饒杯中將其封住,攪拌,直至完全溶解,制成均一的鑄膜液,此過(guò)程大約需要12 h,停止攪拌后需靜置脫泡24 h,以便除去氣泡,為后續(xù)刮膜做好準(zhǔn)備。
1.2.2PSF超濾膜的制備過(guò)程
PSF超濾膜的制備大致可分為3個(gè)步驟:1)確定好超濾膜的厚度后制備刮膜器,刮膜器可以用玻璃棒制備,在玻璃棒兩端纏繞一定圈數(shù)的透明膠帶,此實(shí)驗(yàn)纏繞的圈數(shù)為6圈,制備好刮膜器后,需要制備玻璃板,玻璃板可以用10 cm×10 cm玻璃板進(jìn)行打磨,打磨成4 cm×5 cm長(zhǎng)方形的玻璃板以便放入1 000 mL的燒杯中;2)清洗玻璃板和玻璃棒并將其擦干,將靜置脫泡后的鑄膜液均勻倒在玻璃板前端,用玻璃棒將鑄膜液刮下,開(kāi)始時(shí)把玻璃棒在鑄膜液上均勻的旋轉(zhuǎn)半圈以除去氣泡,刮膜過(guò)程要注意用力均勻,防止刮好的膜厚度不均,影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果;3)室溫下預(yù)蒸發(fā)一定時(shí)間,大約10 s左右,將涂有鑄膜液的玻璃板放入凝膠浴中,凝膠成膜,直至超濾膜自動(dòng)從玻璃板上脫落,將制得的超濾膜放入蒸餾水中浸泡。
在制備超濾膜的過(guò)程中,為了改良PSF超濾膜的截留率與滲透性,需要在鑄膜液中添加適當(dāng)?shù)母叻肿痈男詣?,本?shí)驗(yàn)添加TiO2。為真實(shí)地反映制備超濾膜過(guò)程中的熱力學(xué)過(guò)程,實(shí)驗(yàn)將研究PSF-PVP-TiO2-S-NS的五元體系的三元相圖。為得到PSF-PVP-TiO2-S-NS的五元體系的三元相圖,便于闡述體系的熱力學(xué)過(guò)程,本實(shí)驗(yàn)把TiO2看作溶劑,將它的質(zhì)量算到所用溶劑的質(zhì)量中去。
1)控制鑄膜液的溫度分別為15,20,25,30 ℃,得到不同溫度時(shí)PSF-PVP-TiO2-S-NS體系濁點(diǎn)相圖。2)在20 ℃下,保持PSF含量不變,改變PVP質(zhì)量分?jǐn)?shù),使PVP含量分別為6%、8%、10%及12%配制鑄膜液,得到不同PVP含量時(shí)PSF-PVP-TiO2-S-NS的濁點(diǎn)相圖。3)在20 ℃下,保持PVP濃度不變,改變PSF質(zhì)量分?jǐn)?shù),使PSF含量分別為15%、16%、17%及18%配制鑄膜液,得到不同PSF含量時(shí)PSF-PVP-TiO2-S-NS的體系濁點(diǎn)相圖。
目前關(guān)于成膜熱力學(xué)過(guò)程的研究主要是借助濁點(diǎn)曲線(xiàn)三元相圖來(lái)描述,聚合物的復(fù)雜體系在非溶劑和溶劑中的相轉(zhuǎn)變、聚合物分子鏈重排以及固化的成膜過(guò)程可以用三相圖來(lái)具體的描述。
實(shí)驗(yàn)步驟大體如下:將裝有鑄膜液的燒杯用鐵架臺(tái)固定在大功率電動(dòng)攪拌器上,將燒杯用塑料薄膜封住口以防DMAc蒸發(fā),依據(jù)需要調(diào)整攪拌器的速度,邊攪拌邊用注射器向鑄膜液中添加去離子水,鑄膜液遇到去離子水后迅速凝固,一段時(shí)間后溶解,如果最后一滴去離子水一段時(shí)間后沒(méi)有溶解,則滴定達(dá)到終點(diǎn),記錄下所用去離子水的質(zhì)量。
配置4個(gè)梯度的TiO2的鑄膜液,控制溫度分別為15,20,25,30 ℃,在不同溫度下進(jìn)行滴定。
1.4.1顯色劑的配置
據(jù)材料顯示,PEG可用碘化鉍鉀試劑(Dragendoff試劑)發(fā)生反應(yīng)生成桔紅色的絡(luò)合物[21],因此利用此理論來(lái)測(cè)量PSF超濾膜中PEG的溶出量。然而,在此過(guò)程中存在諸多問(wèn)題,影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度,如:1)此絡(luò)合物見(jiàn)光易分解;2)在室溫下配置碘化鉍鉀試劑時(shí),次硝酸鉍在冰乙酸中的溶解度不高且溶解的速度較慢;3)當(dāng)酸性條件達(dá)不到要求時(shí)碘化鉍鉀與PEG發(fā)生反應(yīng)的過(guò)程中易產(chǎn)生沉淀等。本次實(shí)驗(yàn)改良了傳統(tǒng)的PEG配制方法,具體的操作步驟如下所示:
A液的配置:準(zhǔn)確稱(chēng)取3.2 g次硝酸鉍放于小燒杯中,準(zhǔn)確量取20 mL濃硝酸將其溶解。準(zhǔn)確稱(chēng)取NaOH顆粒8 g置于另一燒杯中,加適量蒸餾水使其溶解,最后將兩者混勻置于200 mL棕色容量瓶中,準(zhǔn)確量取40 mL冰乙酸加入容量瓶中,再加蒸餾水,稀釋至刻度線(xiàn)。
B液的配置:因?yàn)榈饣浺?jiàn)光易分解,配置時(shí)在遮光的條件下準(zhǔn)確稱(chēng)取80.0 g置于燒杯中加適量蒸餾水溶解,然后置于200 mL棕色容量瓶中,再加蒸餾水,稀釋至刻度線(xiàn)。
Dragendoff試劑的配置:準(zhǔn)確量取A液B液各50 mL置于1 000 mL棕色容量瓶中,再加蒸餾水稀釋至刻度線(xiàn)。
1.4.2標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的制作
取適量PEG放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi),烘干以便去除水分,時(shí)間為4 h,溫度為60 ℃,后放在干燥器內(nèi)冷卻。待PEG冷卻后,準(zhǔn)確稱(chēng)取0.5 g溶解于500 mL的容量瓶中,配置成1 000 mg/L的PEG溶液,然后分別吸取PEG溶液 0,1,2,3,4,5 mL稀釋于100 mL容量瓶中,配制成濃度為0,10,20,30,40,50 mg/L的PEG標(biāo)準(zhǔn)溶液。將配置好的濃度為0,10,20,30,40,50 mg/L的PEG標(biāo)準(zhǔn)溶液,用25 mL移液管依次準(zhǔn)確量取25 mL加入到50 mL的棕色容量瓶中。其次量取6 mL冰乙酸加入到容量瓶中,搖動(dòng)容量瓶使溶液與冰乙酸混勻,然后量取6 mL Dragendoff試劑加入到容量瓶中搖勻,最后加蒸餾水稀釋至刻度線(xiàn),搖勻,靜置15 min,最后用紫外分光光度計(jì)和玻璃比色皿測(cè)吸光度,波長(zhǎng)為510 nm,在這之前要用蒸餾水作空白。記錄下數(shù)據(jù),繪制圖表。PEG-4000的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)如圖1所示。
圖1 PEG-10000溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)
1.4.3樣品的測(cè)試
取樣裝置如圖2所示。取1 000 mL的大燒杯,盛放蒸餾水,將水放在冰箱和水浴鍋內(nèi)調(diào)節(jié)溫度,用作凝膠浴。將配置好的鑄膜液均勻倒在玻璃板上進(jìn)行刮膜,開(kāi)時(shí)前稱(chēng)取玻璃板的質(zhì)量,刮好膜后,再稱(chēng)取鑄膜液和玻璃板的質(zhì)量。將刮好的膜,經(jīng)預(yù)蒸發(fā)時(shí)間后放入一定溫度的凝膠浴中,開(kāi)啟磁力攪拌器,取不同時(shí)間的溶液各25 mL,時(shí)間分別為1,2,3,4,5 min,分別加入到50 mL容量瓶中。準(zhǔn)確量取冰乙酸與Dragendoff試劑各6 mL,加入到容量瓶中,在這個(gè)過(guò)程中要注意先加冰乙酸調(diào)節(jié)酸度搖勻,再加Dragendoff試劑搖勻顯色,最后用蒸餾水稀釋至刻度線(xiàn)搖勻,靜置15 min,使用3 cm厚的玻璃比色皿在510 nm波長(zhǎng)下使用紫外分光光度計(jì)測(cè)定吸光度,蒸餾水為參比液。根據(jù)吸光度,利用標(biāo)線(xiàn)求出濃度,求出對(duì)應(yīng)質(zhì)量下PEG的溶出量,最后統(tǒng)一換算成0.5 g下的PEG的溶出量以便比較。
圖2 取樣裝置圖
濁點(diǎn)滴定時(shí),控制鑄膜液中TiO2濃度分別為0.1%,0.2%,0.3%,0.4%,用去離子水作為滴定液。圖3為15,20,25,30 ℃下不同TiO2濃度的濁點(diǎn)圖。從圖中可以看出以下規(guī)律: 1)對(duì)任意的一條濁點(diǎn)曲線(xiàn)而言,隨鑄膜液中TiO2濃度的升高,濁點(diǎn)曲線(xiàn)逐漸靠近溶劑軸(DMAc+PVP+TiO2軸),這說(shuō)明隨著鑄膜液中TiO2濃度的升高,鑄膜液對(duì)非溶劑的容納能力減小,這主要是因?yàn)門(mén)iO2的比表面比較大,且儲(chǔ)存了大量的表面能,其表面富含的羥基與 PSF分子鏈產(chǎn)生了吸附作用,因此TiO2的濃度越大,與大分子之間的這種相互作用越強(qiáng),體系的黏度也就越大,故PSF分子相互接觸的幾率變大,鑄膜液中溶劑的分子濃度減小,當(dāng)溶液中含有少量的非溶劑時(shí),PSF分子即可發(fā)生聚集,產(chǎn)生液-液相分離,從而減小了鑄膜液對(duì)非溶劑的容納能力[9-12]。2)從圖中可以看出不同溫度下的4條曲線(xiàn)都保持一致即隨著滴定溫度的升高,濁點(diǎn)曲線(xiàn)漸漸遠(yuǎn)離溶劑軸,這說(shuō)明隨著滴定溫度的升高鑄膜液對(duì)非溶劑的容納能力漸漸增大,這主要是因?yàn)殍T膜液中溶劑化作用的強(qiáng)度隨著滴定溫度的升高而加強(qiáng),從而使得PSF分子鏈在溶液中更加容易伸展,與此同時(shí)PSF分子的熱運(yùn)動(dòng)也更加的劇烈,這使得PSF分子間聚集的可能性減小,因此也就增加了鑄膜液對(duì)非溶劑的容納能力[13-16]。
圖3 不同溫度下不同TiO2濃度鑄膜液的沉淀值
2.2.1時(shí)間對(duì)PEG溶出量的影響
配置TiO2濃度分別為0.1%,0.2%,0.3%,0.4%的鑄膜液,制備PSF超濾膜,控制溫度分別為15,20,25,30 ℃,進(jìn)行溶出量的測(cè)定。圖4分別為15,20,25,30 ℃下PEG的溶出量。由圖可以看出,溶出量隨時(shí)間的增加逐漸增加,并且在第1分鐘第2份時(shí)溶出迅速,幾乎全部溶出,第3,4,5 min后溶出量趨于穩(wěn)定。同時(shí)可以看出當(dāng)溶出量趨于穩(wěn)定時(shí)15 ℃時(shí)溶出量最高,30 ℃最低,即隨著溫度的升高,超濾膜中PEG的溶出量逐漸降低。這主要是因?yàn)殡S著凝膠浴溫度的升高,PEG與溶劑的擴(kuò)散速度增大,于是鑄膜液的表層便能迅速的生成,而且比較致密,從而成為內(nèi)部PEG溶出的阻礙,所以溫度高時(shí)PEG溶出量低于溫度低時(shí)PEG的溶出量[17-19]。
圖4 不同TiO2濃度下時(shí)間對(duì)PEG溶出量的影響
2.2.2時(shí)間對(duì)PEG溶出速率的影響
如上所述制備TiO2濃度為0.1%的PSF超濾膜,分別在不同溫度下測(cè)量,將溶出量進(jìn)行擬合可得到溶出量擬合方程,對(duì)溶出量擬合方程求導(dǎo)即可得到PEG溶出速率方程,如表1所示,根據(jù)溶出速率方程即可求得到溶出速度,圖5為對(duì)應(yīng)TiO2濃度下的PEG溶出量擬合曲線(xiàn)圖和溶出速率圖,由圖可以看出隨著時(shí)間的增加溶出總量逐漸增加后趨于穩(wěn)定,溶出速率逐漸減小,主要是因?yàn)殡S著時(shí)間的增加,鑄膜液中PEG的量逐漸減小,溶出速率逐漸減小[20]。同時(shí)也可以看出30 ℃時(shí)溶出速率最大。
表1 TiO2為0.1%時(shí)PEG隨時(shí)間(t)溶出量(Y)、溶出速率(r)方程
圖5 TiO2為0.1%時(shí)PEG隨時(shí)間溶出量擬合圖和溶出速率圖
表2為T(mén)iO20.2%時(shí)的溶出量擬合方程和溶出速率方程,圖6為溶出量擬合圖和溶出速率圖,由圖可以看出隨著時(shí)間的增加溶出總量逐漸增加后趨于穩(wěn)定,溶出速率逐漸減小最終趨于零。
表2 TiO2為0.2%時(shí)PEG隨時(shí)間(t)溶出量(Y)、溶出速率(r)方程
圖6 TiO2為0.2%時(shí)PEG隨時(shí)間溶出量擬合圖和溶出速率圖
表3為T(mén)iO20.3%時(shí)的溶出量擬合方程和溶出速率方程,圖7為溶出量擬合圖和溶出速率圖,由圖可以看出隨著時(shí)間的增加溶出總量逐漸增加后趨于穩(wěn)定,溶出速率逐漸減小最終趨于零。
表3 TiO2為0.3%時(shí)PEG隨時(shí)間(t)溶出量(Y)、溶出速率(r)方程
圖7 TiO2為0.3%時(shí)PEG隨時(shí)間溶出量擬合圖和溶出速率圖
表4為T(mén)iO20.4%時(shí)的溶出量擬合方程和溶出速率方程,圖8為溶出量擬合圖和溶出速率圖,由圖可以看出隨著時(shí)間的增加溶出總量逐漸增加后趨于穩(wěn)定,溶出速率逐漸減小最終趨于零。
表4 TiO2為0.4%時(shí)PEG隨時(shí)間(t)溶出量(Y)、溶出速率(r)方程
圖8 TiO2為0.4%時(shí)PEG隨時(shí)間溶出量擬合圖和溶出速率圖
成膜過(guò)程中PEG的溶出與凝膠浴的溫度有密切的關(guān)系,同時(shí)凝膠浴的溫度對(duì)鑄膜液體系的黏度也有一定的影響,因?yàn)檫@些原因溶劑和非溶劑的擴(kuò)散速度也受到影響,然而溶劑與非溶劑的擴(kuò)散速度對(duì)鑄膜液的凝膠速度有極其重要的影響,見(jiàn)圖9??梢钥闯鲭S著凝膠浴溫度的升高鑄膜液中PEG的溶出量逐漸降低,這主要是因?yàn)殡S著凝膠浴溫度的升高,PEG與溶劑的擴(kuò)散速度增大,于是鑄膜液的表層便能迅速的生成,而且比較致密,從而成為內(nèi)部PEG溶出的阻礙,然而溫度低時(shí),PEG與溶劑的擴(kuò)散速度降低,膜表層形成速度慢,PEG溶出量多且形成比較大的膜孔,從而使內(nèi)部的PEG溶出量增多,所以溫度低時(shí)PEG的溶出量大[21]。
圖9 溫度對(duì)PEG溶出量的影響
由圖10可以看出隨著TiO2濃度的升高鑄膜液中PEG的溶出量逐漸的增加,這主要是因?yàn)?)鑄膜液中添加了改性劑TiO2后,TiO2的表面含有大量的羥基,正因?yàn)檫@些羧基的存在改善了PSF超濾膜的親水性,因此隨著TiO2濃度的增加,PSF超濾膜表面吸附和鑲嵌的TiO2粒子也隨之增加,從而使膜的水接觸角逐漸的減小,親水性也隨之增強(qiáng)。2)TiO2顆粒改變了表層下面的結(jié)構(gòu),加強(qiáng)了表面孔和亞表層的連通性[21]。故隨著TiO2濃度的升高鑄膜液中成孔劑PEG的溶出量也隨之逐漸的增加。
圖10 TiO2濃度對(duì)PEG溶出量的影響
采用濁點(diǎn)滴定法利用相圖理論研究了TiO2濃度及溫度在成膜過(guò)程中對(duì)熱力學(xué)相圖的影響,利用紫外分光光度計(jì)法研究了溫度、時(shí)間以及TiO2濃度對(duì)成膜過(guò)程中PEG溶出量和速度的影響,得出以下4條結(jié)論:
1)隨鑄膜液中TiO2濃度的升高,濁點(diǎn)曲線(xiàn)逐漸靠近溶劑軸,鑄膜液對(duì)非溶劑的容納能力降低,隨著滴定時(shí)溫度的升高濁點(diǎn)曲線(xiàn)逐漸遠(yuǎn)離溶劑軸,鑄膜液對(duì)非溶劑的容納能力提高。
2)隨時(shí)間的增加成膜過(guò)程中PEG的溶出量逐漸增加且慢慢趨于穩(wěn)定,PEG溶出速率隨時(shí)間的增加而減小。
3)隨著凝膠浴溫度的升高,PEG的溶出量逐漸降低。
4)隨著TiO2濃度的升高,PEG的溶出量逐漸升高。