塑料工业 ·第46卷第8期 2018年8月 140· CHINA PLASTICS INDUSTRY 耐溶剂型聚芳硫醚砜油一水乳液分离膜的制备术 熊展 ,曹素娇 ,王孝军 ’,张刚 ,龙盛如 ,杨杰 , (1.四川大学高分子科学与工程学院,四川成都610065;2.四川大学分析测试中心,四川成都610065; 3.四川大学高分子材料工程国家重点实验室,四川成都610065) 摘要:聚芳硫醚砜(PASS)可以通过相转化法制备成分离膜,氧化后得到的0一PASS膜具有了更加优异的耐溶剂 性,进一步多巴胺改性后得到DO—PASS膜,将其应用于油一水乳液分离中。多巴胺改性后DO—PASS膜表面涂覆上了一 层聚多巴胺层,由于聚多巴胺具有大量亲水基团,在多巴胺改性后PASS膜的亲水性得到了改善。选用较强溶解能力 的二氯甲烷制备了油一水乳液,并且在油一水乳液分离实验中发现,DO—PASS膜的油截留率达到80%以上。相比于其 他膜材料,O—PASS能够耐受二氯甲烷的侵蚀,这些都说明了DO—PASS膜在分离具有较强溶解能力的油一水乳液中有 着极为重要的发展前景。 关键词:耐溶剂;聚芳硫醚砜;多巴胺;氧化;油一水乳液分离 doi:10.3969/j.issn.1005-5770.2018.08.033 中图分类号:TQ3326.6 文献标识码:A 文章编号:1005—5770(2018)08-0140-04 Preparation of Solvent-resistant Polyarylene Sulfide Sulfone Membrane for Oil/Water Emulsion Separation XIONG Chen ,CAO Su-jiao ,WANG Xiao-jun ,ZHANG Gang ,LONG Sheng—rll ,YANG Jie , (1.Polymer Science&Engineering College,Sichuan University,Chengdu 610065,China; 2.Anal ̄ieM and Testing Center,Sichuan University,Chengdu 610065,China; 3.State Key Laboratory of Polymer Materials Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China) Abstract:Polyarylene sulifde sulfone(PASS)can be manufactured into membrane by phase inversion method.The O—PASS membrane obtained by oxidation possessed more excellent solvent resistance.After further dopamine modiifcation,the DO—PASS membrane was applied in the separation of oiL/water emulsions. After dopamine modification the DO—PASS membrane surface was coated with a polydopamine coating,and its hydrophilicity was improved due to the existence of a large number of hydrophilic groups.OiL/water emulsion was prepared using a relatively strong dissolving capacity of the methylene chloride.In the oil—water emulsion separation experiment,the oil rejection rates of the DO—PASS membranes were all over 80%.Compared to other membrane materials,0一PASS is resistant to the erosion of methylene chloride.All of these indicate that DO—PASS membrane possesses a very important development prospect in the separation of oil/water emulsions with solvent of strong dissolving capacity. Keywords:Solvent—resistant;Polyarylene Sulfide Sulfone;Dopamine; Oxidation; Oil—Water Emulsion Separation 聚芳硫醚砜(PASS)是一种高性能的特种工程 材料…,具有良好的耐高温、耐化学腐蚀性,可通 过相转化法制备分离膜 。张刚等 。 发现经过王水 水包油型乳液的油浓度不高,油滴粒径小,若将 它直接排放,会引起地层岩隙堵塞及污染环境。因 此,迫切需要一种行之有效的油一水分离方法,油一 水乳液分离膜作为一种新型的分离手段,具有操作方 便、无需任何外添加剂和能耗低等优点,受到了极大 氧化后的PASS具有更强的耐溶剂性,因此PASS膜 可以应用于腐蚀性介质的分离过程。 国家自然科学基金项目(51573103,21274094,21304060),有机无机复合材料国家重点实验室开放课题资助项目(oie一 201701006) 通信联系人wangxj@sen.edu.cn 通信联系人ppsf@SCU.edu.cn 作者简介:熊晨,男,1993年生,硕士研究生,研究方向为耐腐蚀分离膜。xiongchenscu@163.coin 第46卷第8期 熊晨,等:耐溶剂型聚芳硫醚砜油一水乳液分离膜的制备 ·141. 的关注。但由于聚合物膜的疏水性,在油一水乳液分 离中易被污染,造成其分离性能的下降,因此对聚合 物膜进行亲水改性是必须的。受到贻贝分泌蛋白能够 黏附在各种基体上的启发,通过研究发现多巴胺.恰好 具有贻贝蛋白中的儿茶酚基团和氨基官能团,可以在 温和的潮湿条件下自聚合形成聚多巴胺,黏附在不同 类型的无机和有机基体表面,因此多巴胺涂覆可以作 为一种简单方便的亲水改性方法。 若油水乳液中有较强溶解能力的溶剂,分离膜就 会发生溶胀等现象,这会使得分离效率下降。因此, 研究耐溶剂型油一水乳液分离膜具有十分重要的意 义。本文在制备PASS分离膜后首先氧化,再进行多 巴胺改性,然后对得到的PASS膜进行油一水乳液分 离和耐溶剂研究。 1 实验部分 1.1试剂与仪器 聚芳硫醚砜:自制,特性黏数0.36 dL/g;N一甲 基吡咯烷酮:分析纯,南京金龙化工有限公司;盐酸 多巴胺(分析纯)、苏丹蓝1I(纯度98%):阿拉丁 试剂有限公司;盐酸(纯度36%)、浓硫酸(纯度 98%)、浓(纯度98%)、乙醇(纯度98%)、 二氯甲烷(分析纯)、吐温8O(分析纯):成都市科 龙化工试剂厂。 恒温油浴加热器:DF 1013,郑州汇成工贸有限 公司;精密电子天平:精度0.001 g,Shimadzu公司; 扫描电子显微镜:JSM-7500F,日本JEOL公司;刮 膜机:FM-2,宁波大学;杯式超滤杯:MSC-050,上 海摩速器械有限公司;接触角测试仪:DSA100,德 国Kruss公司;傅里叶红外光谱仪:Nexus670, Nicole仪器公司;紫外分光光度计:TU一1810,北京 普析通用有限公司。 1.2 PASS膜制备 将质量分数为20%的PASS溶解在Ⅳ一甲基吡咯 烷酮中,在180 c【=下不断搅拌以形成均匀的溶液;然 后快速冷却、离心分离后,室温下将溶液浇铸到玻璃 板上,使用的刮刀厚度为0.2 mm。最后,将所得的 膜浸入以去离子水作为非溶剂的凝固浴中,从而形成 聚合物膜,在PASS膜未处理前放置在去离子水中 保存。 1.3 PASS膜改性 将PASS放置在王水中氧化24 h,之后将膜片取 出,分别用乙醇和去离子水清洗以去除多余的溶剂, 得到氧化后的PASS膜(O—PASS膜)。 配置2 g/L的多巴胺水溶液,加入0.1 mol/L盐 酸调节pH值为8.5,将O—PASS膜分别在多巴胺水溶 液中涂覆2、4、6、8 h,得到多巴胺改性后的PASS 膜(DO-PASS膜),最后将DO—PASS膜取出,分别 用乙醇和去离子水清洗去除多余的溶剂,如表1 所示。 表1 PASS膜的改性时间 Tab 1 Modiifcation time of PASS membrane 1.4测试与表征 SEM测试:取PASS膜的截面进行扫描电子显微 镜分析。放大倍数分别为10 000、20 000、50 000倍。 FTIR测试:取适量PASS膜进行红外反射光谱测 试),检测范围是4 000—400 am~。 水接触角测试:对每个样品做水接触角测试,每 个样品做5次,最终结果取5次测试结果的平均值。 乳液通量测试:将PASS膜裁成圆片(有效直径 37 ram)放置在50 mL超滤杯中,在氮气压力为0.2 MPa下预压0.5 h,然后在0.1 MPa、20℃下测单位 时间内通过的乳液体积。乳液通量 由式(1) 计算: Jo=WAAt (1) 式中, 一定时间内通过的乳液体积,L;A一膜的有 效面积,取1 075.21 1Tim ;At一测试时间,h。 油截留率测试:以二氯甲烷作为溶剂,配置一系 列苏丹蓝Ⅱ标准溶液,用紫外分光光度计测试各溶液 的吸光度,绘制出苏丹蓝Ⅱ标准曲线。往油水乳液中 加适量的苏丹蓝Ⅱ,充分搅拌后在跨膜压力0.1 MPa 下测定油水乳液水通量。然后对照标准曲线计算进料 液和滤液对应的苏丹蓝Ⅱ浓度C 和c。,按式(2)计 算截留率 。 R=(1-C。/Cf)x100% (2) 2结果与讨论 2.1 改性前后PASS膜的化学组成和表面性能 氧化前后PASS膜的红外光谱图如图l所示,在 1 074 Cln 处对应硫醚键的吸收峰在氧化后减小,此 外在1 292 cm 处对应着砜基的吸收峰在氧化之后变 大,这与之前的研究 相符合,氧化过程是将PASS 的硫醚键氧化成为砜基。多巴胺改性前后膜表面的红 外光谱图如图2所示,改性之后在1 645、3 400 am 塑料工业 2018焦 处都出现了吸收峰,并且可以发现随着涂敷时间的增 加,相应的吸收峰也越来越大,这两个吸收峰分别指 代氨基的伸缩振动峰和羟基的特征吸收峰,这都是 PASS和O.PASS本身不具有的化学基团,而聚多巴 胺含有大量氨基和羟基基团,可以确认在多巴胺改性 后,聚多巴胺已经成功地引入到了膜表面。 l 400 1 200】000 800 600 波数/ca 图1 氧化前后PASS膜的红外光谱图 Fig 1 FTIR of PASS membranes before and after oxidation 4 000 3 500 3 000 2 500 2 000 1 500 波数/cm 图2多巴胺改性前后PASS膜的红外光谱图 Fig 2丌IR spectra of PASS membranes before and after coating with dopamine 表2 PASS膜的水接触角结果 Tab 2 The water contact angles of PASS membranes 聚多巴胺的引入会使得O PASS膜表面发生变 化,本文采用了水接触角测试来探究改性前后O- PASS的亲水性变化。在表2中列出了在不同改性条 件下的膜表面水接触角,未改性的PASS膜水接触角 为96.83。,这表明PASS本身具有轻疏水性,而在王 水中氧化24 h后,O—PASS水接触角下降到了 91.30。,说明氧化过程中硫一醚键转化为更亲水性的 砜基基团,这使得亲水性得到略微改善。在多巴胺改 性后,水接触角的变化情况符合预期,证明了在经多 巴胺改性后的DO.PASS膜的亲水性得到了改善,且 随着多巴胺涂敷时间的增加,亲水性进一步增加,这 是由于涂敷时间越长,吸附在膜表面的聚多巴胺越 多,而表面亲水成分的增加导致了亲水性的增加。 2.2乳液分离 相比于分散油,乳化油由于有表面活性剂在油滴 周围包裹,更加难以分离,是油一分离的一大难题。 乳液分离是本文着重探究的部分,为了确定乳液分离 效果,按照去离子水:二氯甲烷(90:10)配比, 以吐温80为乳化剂配置了油一水乳液,并在其中加 入苏丹蓝Ⅱ染料,这种染料只溶于油相(二氯甲烷) 而不溶于水相中,然后通过紫外分光光度计表征油截 留率。多巴胺改性后,PASS膜表面涂覆上了一层聚 多巴胺涂层,这层聚多巴胺涂层具有大量亲水性基 团,使得PASS膜表面亲水性提高了,给油水乳液分 离提供了必要的润湿条件。在油水乳液分离实验中, 如表3所示,对于O—PASS膜来说,其油截留率只是 55.18%,而DO.PASS膜均具有较好的油一水乳液分 离效果,其油截留率都在80%之上。聚多巴胺涂层 的存在使得DO—PASS膜具有了油一水乳液分离效果, 并且表面亲水性能的提高也使得乳液通量有了一定的 增长,而多巴胺改性时间过长会导致表面聚多巴胺堆 积过多,使得乳液通量下降。 表3 油水乳液分离实验结果 Tab 3 The oil/water emulsion separation 2.3 O—PASS耐溶剂探究 尽管聚芳硫醚砜本身具有较强的耐腐蚀性能,但 是在二氯甲烷中依旧会溶解,为此,本研究首先将 PASS膜氧化成为O.PASS膜,之后再将其放人二氯 甲烷中浸泡不同时长(2、4、6、8 h),结果发现其 外观上并没有任何变化,也没有出现溶胀现象,这说 明PASS膜经氧化后耐二氯甲烷的侵蚀性得到了极大 的改善。为了进一步证明在二氯甲烷溶剂中O.PASS 膜在微观结构上的变化,使用SEM观察了其截面结 构,结果如图3所示。对比氧化前后的PASS膜截面 结构(图3a和3b),可以发现均呈现为指状孔结构, 说明氧化并未对膜的微观结构造成影响。而在二氯甲 第46卷第8期 熊晨,等:耐溶剂型聚芳硫醚砜油一水乳液分离膜的制备 ·l43· 烷溶剂中处理之后,O-PASS膜的截面依旧为指状孔 结构,只是某些指状孔上出现了一些细微的破损和坍 塌,但对O.PASS膜的使用过程并未造成太大的 损失。 3结论 本文将PASS膜氧化成为O—PASS膜后,又将其 进行了多巴胺改性,制备成为DO.PASS膜,在增加 a一未改性PASS分离膜 b一处理0 h 膜亲水性的同时也探究了其对油水乳液的分离效果, 由于油相采用的是较强溶解能力的二氯甲烷,因此也 进一步研究了DO—PASS膜耐二氯甲烷溶剂的能力。 结果发现聚多巴胺已经成功地引入到了DO.PASS膜 表面,而在水接触角实验中也可以发现,改性多巴胺 提升了膜的亲水性。多巴胺改性后的DO—PASS膜对 水包油型乳液起到了分离的效果,其油截留率均达到 80%以上。经过二氯甲烷溶剂处理后的0一PASS膜, 其外观上并无明显变化,依旧能够在水包油型乳液分 c一处理2 h d一处理4 h 离中使用,说明O.PASS膜能够抵抗有机溶剂二氯甲 烷的侵蚀并应用于其乳液分离中。 参考文献 [1]杨杰.高分子量聚芳硫醚砜的合成及结构与性能研究 [D].成都:四川大学,2005. 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