聚氯乙烯平板膜的制备及性能研究_李青.pdf

202312教学研究137Modern Chemical Research当代化工研究聚氯乙烯平板膜的制备及性能研究李青 张宇 侯涛（贵州大学化学与化工学院 贵州省大环化学及超分子化学重点实验室 贵州 550025）摘要：主要介绍了在制备平板膜的实验教学中，采用聚氯乙烯作为膜材料进行制备，这不仅降低了实验教学的成本，同时还提高了平板膜的性能。对表面活性剂含量、聚合物浓度对平板膜的膜通量和截留率等基本性能的影响进行了研究，取得了比较满意的结果。关键词：聚氯乙烯；平板膜；膜通量；截留率；性能中图分类号：TQ 文献标识码：ADOI：10.20087/ki.1672-8114.2023.12.045Study on the Preparation and Properties of Polyvinyl Chloride Flat-plate MembraneLi Qing,Zhang Yu,Hou Tao(Key Laboratory of Macrocyclic and Supramolecular Chemistry of Guizhou Province,School of Chemistry and Chemical Engineering,Guizhou University,Guizhou,550025)Abstract：The experimental teaching of the preparation of flat-plate membranes using polyvinyl chloride as membrane material is mainly introduced,which not only reduces the cost of experimental teaching,but also improves the performance of flat-plate membranes.The effects of surfactant content and polymer concentration on the basic performance of flat-plate membranes such as membrane flux and retention rate were investigated,and more satisfactory results were obtained.Key words：polyvinyl chloride；flat-plate membrane；membrane flux；interception rate；performance1.引言膜分离技术很早就在生物、化工、食品等领域有了应用，其次在水处理方面的应用也尤为广泛1。膜作为膜分离技术的核心部分，在膜分离过程中起着重要的作用。它所包含的种类有很多，主要有生物膜、天然物质改性膜、无机膜以及高分子聚合物膜2。目前聚合物平板膜因其加工成形简单，已被广泛应用和研究。平板膜的分离原理是以物理筛分为基础，在水中大分子溶质和微粒被滤膜拦截，通过膜的就是洁净的水3。目前国内大多数的化工原理实验有关膜分离技术这一章节的实验都选用了聚合物平板膜作为膜分离的范例。制备膜的聚合物材料大多选用的都是聚醚砜、聚偏氟乙烯4，由于聚醚砜、聚偏氟乙烯的市场价格过高，会提高实验教学成本，这就使得不能够让每个学生都参与到实验中，只能以分组的形式进行实验，从而影响了学生的实验兴趣和实验教学质量。因此希望找到一种价格低廉且性能较好的膜材料。作者根据文献5-9以聚氯乙烯为膜材料，对平板膜的制备进行了探讨，聚氯乙烯（PVC）的化学和力学性质都很好，将PVC溶于合适的溶剂中制成的涂层可以经受酸、碱、盐水、油类、酯类、食品、腐蚀性气体和空气等的老化10-12。此外，PVC的成膜性也更佳，价格低廉，容易获得，因而在同类型制膜材料中脱颖而出。同时，在实验中采用PVC为平板膜材料，可以扩大学生的知识范围，激发学生对实验的热情，提高做实验的效率，从而有助于提高实验教学质量。2.主要试剂及仪器规格电子天平（诸暨市超泽衡器设备有限公司）；HH-6数字恒温水浴锅（金坛区西城新瑞仪器厂）；H2004G电动搅拌器（上海梅颖浦仪器仪表制造制造有限公司）；聚氯乙烯（AR）；聚乙二醇（AR）；N,N-二甲基乙酰胺（AR）；牛血清白蛋白（BSA）。3.实验操作(1)聚氯乙烯（PVC）平板膜的制备铸膜液的配制首先用电子天平称取一定量的聚氯乙烯（PVC）、聚乙二醇（PEG）和N,N-二甲基乙酰胺（DMAC），这里需要告知学生把它们按顺序放进250mL洁净、干燥的三口烧瓶中（如果先加DMAC，得到的铸膜液容易结块），然后把配制好的溶液放在恒温水浴锅内（温度设置为70）搅拌，得到均匀的铸膜液。铸膜液的脱泡处理在实验教学时，需跟学生强调，在形成均匀的铸膜液后，观察铸膜液表面以及四周没有气泡时，脱泡处理即完成。PVC平板膜的制备将得到的均匀铸膜液平缓连续地倒在玻璃板上，202312教学研究138Modern Chemical Research当代化工研究然后用刮棒在玻璃板上刮成一定厚度的膜（在这里要告知学生，在刮的过程中力度要尽可能的保持一致，否则得到的薄膜厚度不一致），接着小心迅速地把铸膜液所在的玻璃板放入温度为40的凝固浴中,等着变成薄膜。再用去离子水（DI水）对其进行浸渍，可除去其表层的过量溶剂。(2)聚氯乙烯(PVC)平板膜的性能表征纯水通量首先把一层扁平薄膜置于自制的隔膜槽内，在0.15MPa的压力下对其进行15min的预压，待其流量基本趋于平稳后，将其降至0.1MPa，待其平稳10min后，用量桶采集一定量的产出水量，并用秒表进行记录。每个待测膜，测试3个样品，最后取平均值。通量公式按式（1）计算：P=V/St （1）式中，P纯水透过率，L/(m2h)；V纯水透过量，L；S平板基膜有效面积，m2；t透过体积为V的纯水所用的时间，h。牛血清蛋白截留率采用牛血清白蛋白（BSA）为参考材料，对平板膜进行了截留试验。采用紫外线光度计，对原液（Cf）和过滤液（Cp）在其特征波长278nm处的吸收进行了测定。截留率的测试：A.将准备测试的膜，切3份同样大小的样品，用清水冲洗干净备用；B.将A中1个膜样品置于样品池中待测；C.准确称取1g牛血清白蛋白，放入50mL烧杯中，加水使其溶解，然后倒入1000mL容量瓶中，加水至刻度线，用手摇晃均匀，最终配制成质量浓度为1000mg/L 的牛血清白蛋白溶液，作为测试溶液；D.采用死端过滤的方式，进行测试，缓慢调节跨膜压差为0.10MPa，待系统稳定运行2min后收集滤过液和进料液；E.在278nm的波长下，以蒸馏水为参照，使用1cm的比色皿，在紫外可见分光光度计上测量过滤溶液和原料溶液的吸收，并将所测量得到的吸收数值代入到公式（2）中；F.取A中其余两个膜样品按步骤BE进行平行实验。按照国家标准规定，绘制出质量浓度-吸光度标准曲线，得出其标准回归方程为y=0.8685x+0.0295，然后利用公式（2）来计算其截留率。BSA的截留率按 式（2）计算：R=(1-Cp/Cf)100%（2）式中，R截留率，%；Cp滤过液中标准物质质量浓度，mg/L；Cf进料液中标准物质质量浓度，mg/L。4.结果与讨论(1)聚合物质量分数对聚氯乙烯(PVC)平板膜性能的影响选取表面活性剂聚乙二醇（PEG）质量分数为17%时，让学生研究聚合物质量分数（15.5%21.5%）对PVC平板膜性能的影响规律。表1 各组分的质量及其质量分数实验序号PVC（g/%）PEG（g/%）DMAc（g/%）M115.5/15.517/17.067.5/67.5M217/17.017/17.066/66.0M318.5/18.517/17.064.5/64.5M420/20.017/17.063/63.0M521.5/21.517/17.061.5/61.5PVC聚合物质量分数（%）图1 聚合物质量分数对膜通量和截留率的影响图1为PVC聚合物质量分数对膜纯水通量和截留率的影响。由图1可知，随着聚合物质量分数的增加，膜的纯水通量先缓慢下降，然后急剧下降，最后缓慢下降。然而膜的截留率先缓慢增大，然后急剧增大。这是由于膜结构随着聚合物含量的增加变得更加致密，增大了透过膜界面的阻力，导致纯水通量下降，而截留率上升；聚合物质量分数越大，高分子链之间的缠结越严重，孔隙率越小，所以纯水通量持续减小；随着聚合物质量分数的增加，膜皮层厚度增加，膜的纯水通量随之减小，但是由于皮层较致密且厚度相对较大，所以截留率一直增加。其中，当聚合物质量分数为15.5%和17%时，膜的通量十分大。这两种情况，在预压时压力只能达到0.1MPa，达不到标准测试中的预压压力0.15MPa。202312教学研究139Modern Chemical Research当代化工研究当聚合物质量分数为20%，所制备的的PVC平板膜的性能较好，此时制得的PVC平板膜的纯水通量为1948.20L/(m2h)，截留率为9.03%。(2)表面活性剂聚乙二醇(PEG)含量对PVC平板膜性能的影响通过学生上一步的实验结果表明：当聚氯乙烯质量分数为20%时，所制得的平板膜性能较好。所以选取质量分数为20%的PVC，让学生研究表面活性剂（PEG）含量（12%22%）对PVC平板超滤膜性能的影响规律。表2 各组分的质量及其质量分数实验序号PVC（g/%）PEG（g/%）DMAC（g/%）M120/20.012/12.068/68.0M220/20.014.5/14.565.5/65.5M320/20.017/17.063/63.0M420/20.019.5/19.560.5/60.5M520/20.022/22.058/58.0图2为PEG含量与PVC平板膜纯水通量和BSA截留率的关系。研究结果表示，随着PEG含量的增加，PVC平板膜的纯水通量逐渐增大，但是BSA截留率在逐渐减小。当PEG含量大于19.5%，膜的纯水通量急剧上升；当PEG含量大于17%时，BSA截留率下降的趋势变得缓慢。这是由于，随着PEG含量的增多，膜的孔隙率在逐渐增大，使得透过膜的水量在增多，从而导致膜的纯水通量在增大，截留率在减小。图2 PEG含量对膜通量和截留率的影响当PEG含量为19.5%，所制备的PVC平板膜的性能较好，所制备膜的纯水通量为1989.50L/(m2h)，截留率为8.22%。5.结论在实验教学中，聚醚砜、聚偏氟乙烯的市场价格过高，会提高实验教学成本，从而影响教学质量。以聚氯乙烯聚合物作为膜材料制备平板膜，不仅价格低廉，可以降低教学成本，而且采用聚氯乙烯聚合物作为膜材料制备的聚氯乙烯平板膜的基本性能良好，平板膜的纯水通量可达到1900L/(m2h)左右，截留率可达到8%9%。【参考文献】1张雪艳.聚氯乙烯膜的制备及净化过滤工艺条件的研究D.宁波大学,2020.2杨泉,赵宝宝,王震,等.聚合物含量对氯化聚氯乙烯平板超滤膜结构和性能的影响J.塑料工业,2022,50(7):125-131,156.3熊鹰,裘文慧,刘俊国.膜分离技术在环境工程实验教学中的应用J.科技风,2022,486(10):83-85.4高波,刘嘉栋,韩芸,等.“化工原理膜分离”教学改革初探基于全过程演示实验与课堂教学的结合J.大学教育,2021,133(7):79-81,85.5王军,奚旦立,徐大同,等.聚氯乙烯中空纤维膜的研制J.膜科学与技术,2002(04):7-12.6虞焰红.PVC中空纤维膜的制备及其性能研究D.上海师范大学,2014.7鲁方.同质增强型聚氯乙烯中空纤维膜结构调控与性能研究D.天津工业大学,2019.8刘海亮,肖长发.聚氯乙烯中空纤维多孔膜研究进展J.高科技纤维与应用,2015,40(1):11-18,28.9梅硕,李金超,卢士艳,等.高强度聚氯乙烯中空纤维膜的制备及其性能J.纺织学报,2020,41(9):16-20.10王军,奚旦立,陈季华.表面