一種碳納米纖維層對超濾膜改性的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳納米纖維層對超濾膜改性的方法，屬于環(huán)保水處理領域。
【背景技術】
[0002]膜技術在環(huán)保水處理領域的應用越來越廣泛，逐步成為世界可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基礎之一，在解決全球能源資源和環(huán)境等重大問題中發(fā)揮著越來越重要的作用，膜技術被認為是21世紀最重要的新技術之一，然而，膜污染依舊是阻礙膜技術推廣應用的主要障礙。早期為了降低膜污染主要采取的方法是對污水進行一個預處理過程以減少膜污染，最主要也是最傳統(tǒng)的預處理過程是化學混凝。除此之外，還有對膜進行超聲、反洗、電絮凝、電混凝等預處理的方法。超聲只能將膜表面吸附的一些物質(zhì)去掉，而無法將膜孔中吸附的污染物顆粒去除；反洗有著比超聲更好的去除效率，可以去除膜孔中吸附的顆粒，而化學絮凝、電絮凝和電混凝這些方法雖然可以在一定程度上降低膜污染，但是加入的化學試劑都會引起膜污染，而預沉積處理可以將化學試劑引起的膜污染降到最低，而且預沉積層易于去除，不僅可以提高有機物的去除效率，還可以降低膜通量的衰減。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對現(xiàn)有的在超濾膜水處理中的不足，提出了一種碳納米纖維層對超濾膜改性的方法，碳納米纖維用于截留和吸附水中的污染物，以最大限度的減少膜表面污染的改性超濾膜的水處理方法。
[0004]—種碳納米纖維層對超濾膜改性的方法，具體步驟如下所述:將碳纖維預處理得到類顆粒狀碳纖維;再將預處理后的類顆粒狀碳纖維在溶劑中超聲充分分散攪拌，恒壓條件下，將分散均勻的碳納米纖維預沉積在超濾膜表面。
[0005]所述溶劑為溶劑為水、乙醇或N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的一種或多種。
[0006]所述碳纖維預處理過程為:將碳纖維源浸泡、冷凍干燥，惰性氣氛中高溫煅燒，在煅燒后的纖維中加入溶劑，研磨，然后在溶劑中超聲充分分散攪拌，得到預處理后的類顆粒狀碳纖維。
[0007]優(yōu)選地，所述的碳纖維為細菌纖維素(BC)、絲瓜絡等植物纖維中的一種或多種。
[0008]優(yōu)選地，所述的碳纖維浸泡時間為I天-14天。
[0009 ] 優(yōu)選地，所述的碳纖維冷凍干燥的時間48h_96h。
[0010]優(yōu)選地，所述的碳纖維高溫煅燒的溫度為800-1000度。
[0011]優(yōu)選地，所述的碳纖維高溫煅燒的時間為24_48h。
[0012]優(yōu)選地，所述的碳纖維的研磨時間為5-30min。
[0013]優(yōu)選地，所述的碳纖維在恒壓下預沉積，這里的恒壓為0.05-0.2MPa。
[0014]優(yōu)選地，所述的碳纖維的負載量為3g/m2-96g/m2(相對于超濾膜的有效使用面積)。
[0015]改性后的超濾膜，經(jīng)清洗、再負載顆粒能夠反復使用。
[0016]有益效果
[0017]I)、超濾膜表面預沉積的碳納米纖維相當于一個簡易的膜層，優(yōu)先吸附污染物，減少膜污染。
[0018]2)、超濾膜表面預沉積的碳納米纖維源豐富，大大降低操作成本。
[0019]3)、超濾膜表面預沉積的碳納米纖維與超濾膜是物理沉積，待反應后，用塑料刮片將其輕輕刮掉再用去離子水洗即可將其完全除去。
[0020]4)、本發(fā)明方法操作簡單，成本低廉，且易于規(guī)?；褂煤屯茝V。
【附圖說明】
[0021]圖1、實施案例一中在聚偏氟乙烯超濾膜表面預沉積負載量為24g/m2的細菌纖維素對有機物牛血清蛋白(BSA)溶液的吸附通量衰減圖。
[0022]圖2、實施案例二中在聚偏氟乙烯超濾膜表面預沉積負載量為24g/m2的細菌纖維素對有機物海藻酸鈉(SA)溶液的吸附通量衰減圖。
[0023]圖3、實施案例三中在聚偏氟乙烯超濾膜表面預沉積負載量為12g/m2的由乙醇和N-甲基吡咯烷酮改性的細菌纖維素對有機物牛血清蛋白(BSA)溶液的吸附通量衰減圖。
[0024]圖4、實施案例四中在聚偏氟乙烯超濾膜表面預沉積負載量為12g/m2的由乙醇和N-甲基吡咯烷酮改性的細菌纖維素對有機物海藻酸鈉(SA)溶液的吸附通量衰減圖。
[0025]圖5、氣凝膠細菌纖維素和煅燒后細菌纖維素的掃描電子顯微鏡圖(SEM)。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖與實施案例對本發(fā)明方法做進一步說明。應理解，這些案例僅限于說明本發(fā)明方法，而不用于限制本發(fā)明的使用范圍。
[0027]實施案例一
[0028]I)、將水凝膠狀的細菌纖維素切成塊狀(約1*2*1.5cm3)，在去離子水中浸泡兩天，冷凍干燥48h成氣凝膠狀，在氬氣氣氛中950度高溫煅燒24h，然后稱取負載量為24g/m2煅燒后的細菌纖維素滴加少量去離子水潤濕，研磨15min，超聲分散5min，在50ml去離子水中磁力攪拌lOmin，在恒壓0.1MPa條件下，將分散均勻的細菌纖維素預沉積到偏聚氟乙烯超濾膜表面。
[0029]2)、在300毫升去離子水中加入3毫升0.5M的碳酸氫鈉溶液，然后加入I毫升的3g/L的BSA儲備液，用0.1M的鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH為7 ±0.1，將該BSA溶液用上述步驟I)中預沉積了24g/m2細菌纖維素的聚偏氟乙烯超濾膜超濾，用電子天平連接數(shù)據(jù)接收器采集數(shù)據(jù)，膜通量的變化如圖1所示。經(jīng)過300毫升水實驗后可以保持75%的膜通量，重復上述步驟兩次，相比于第一次，第二次和第三次的膜初始通量恢復可以達到90.47%和85.49%，最后的膜通量仍然能夠保持在70%和63%左右。表面該碳納米纖維大大減少了蛋白對膜的污染。
[0030]實施案例二
[0031]1)、將水凝膠狀的細菌纖維素切成塊狀(約1*2*1.5cm3)，在去離子水中浸泡兩天，冷凍干燥48h成氣凝膠狀，在氬氣氣氛中950度高溫煅燒24h，然后稱取負載量為24g/m2煅燒后的細菌纖維素滴加少量去離子水潤濕，研磨15min，超聲分散5min，在50ml去離子水中磁力攪拌lOmin，在恒壓0.1MPa條件下，將分散均勻的細菌纖維素預沉積到偏聚氟乙烯超濾膜表面。
[0032]2)、在300毫升去離子水中加入0.5M的碳酸氫鈉溶液3毫升，然后加入I毫升3g/L的SA儲備液，用0.1M的鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH為7 ±0.1，將該SA溶液用上述步驟I)中預沉積了 24g/m2細菌纖維素的聚偏氟乙烯超濾膜超濾，用電子天平連接數(shù)據(jù)接收器采集數(shù)據(jù)，膜通量的變化如圖2所示。重復上述步驟三次，相比于第一次，第二次和第三次的膜初始通量恢復可以達到93.27% 和88.55%。
[0033]實施案例三
[0034]1)、將水凝膠狀的細菌纖維素切成塊狀(約1*2*1.5cm3)，在去離子水中浸泡兩天，冷凍干燥48h成氣凝膠狀，在氬氣氣氛中950度高溫煅燒24h，然后稱取負載量為12g/m2煅燒后的細菌纖維素滴加少量乙醇潤濕，研磨15min，超聲分散5min，然后在35ml乙醇和15ml N-甲基吡咯烷酮混合液中磁力攪拌24h，在恒壓0.1MPa條件下，將分散均勻的由乙醇和N-甲基吡咯烷酮改性的細菌纖維素預沉積到偏聚氟乙烯超濾膜表面。
[0035]2)、在300毫升去離子水中加入0.5M的碳酸氫鈉溶液3毫升，然后加入I毫升3g/L的BSA儲備液，用0.1M的鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH為7 ± 0.1，將該BSA溶液用上述步驟I)中預沉積了12g/m2細菌纖維素的聚偏氟乙烯超濾膜超濾，用電子天平連接數(shù)據(jù)接收器采集數(shù)據(jù)，膜通量的變化如圖3所示。經(jīng)過300毫升水過濾實驗后，膜通量仍然可以保持在60 %左右。
[0036]實施案例四
[0037]I)、將水凝膠狀的細菌纖維素切成塊狀(約1*2*1.5cm3)，在去離子水中浸泡兩天，冷凍干燥48h成氣凝膠狀，在氬氣氣氛中950度高溫煅燒24h，然后稱取負載量為12g/m2煅燒后的細菌纖維素滴加少量乙醇潤濕，研磨15min，超聲分散5min，然后在35ml乙醇和15ml N-甲基吡咯烷酮混合液中磁力攪拌24h，在恒壓0.1MPa條件下，將分散均勻的由乙醇和N-甲基吡咯烷酮改性的細菌纖維素預沉積到偏聚氟乙烯超濾膜表面。
[0038]2)、在300毫升去離子水中加入0.5M的碳酸氫鈉溶液3毫升，然后加入I毫升3g/L的SA儲備液，用0.1M的鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH為7±0.1，將該SA溶液用上述步驟I)中預沉積了 12g/m2細菌纖維素的聚偏氟乙烯超濾膜超濾，用電子天平連接數(shù)據(jù)接收器采集數(shù)據(jù)，膜通量的變化如圖4所示。經(jīng)過300毫升水過濾實驗后，膜通量仍然可以保持在60 %左右。
【主權項】
1.一種碳納米纖維層對超濾膜改性的方法，其特征在于:具體步驟如下所述:將碳纖維預處理得到類顆粒狀碳纖維;再將預處理后的類顆粒狀碳纖維在溶劑中超聲充分分散攪拌，恒壓條件下，將分散均勻的碳納米纖維預沉積在超濾膜表面，得到改性后的超濾膜。2.如權利要求1所述的一種碳納米纖維層對超濾膜改性的方法，其特征在于:所述碳纖維預處理過程為:將碳纖維源浸泡、冷凍干燥，惰性氣氛中高溫煅燒，在煅燒后的纖維中加入溶劑，研磨，然后在溶劑中超聲充分分散攪拌，得到預處理后的類顆粒狀碳纖維。3.如權利要求1或2所述的一種碳納米纖維層對超濾膜改性的方法，其特征在于:所述溶劑為溶劑為水、乙醇或N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的一種或多種。4.如權利要求1或2所述的一種碳納米纖維層對超濾膜改性的方法，其特征在于:所述的碳纖維為細菌纖維素(BC)、絲瓜絡等植物纖維中的一種或多種。5.如權利要求1所述的一種碳納米纖維層對超濾膜改性的方法，其特征在于:所述的碳纖維浸泡時間為I天-14天;所述的碳纖維冷凍干燥的時間48h-96h;所述的碳纖維高溫煅燒的溫度為800-1000度;所述的碳纖維高溫煅燒的時間為24-48h;所述的碳纖維的研磨時間為5-30min;所述的碳纖維在恒壓下預沉積，這里的恒壓為0.05-0.2MPa;所述的碳纖維的負載量為 3g/m2-96g/m2。6.如權利要求1所述的一種碳納米纖維層對超濾膜改性的方法，其特征在于:所述改性后的超濾膜，經(jīng)清洗、再負載顆粒能夠反復使用。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種碳納米纖維層對超濾膜改性的方法，屬于環(huán)保水處理領域。將碳纖維預處理得到類顆粒狀碳纖維；再將預處理后的類顆粒狀碳纖維在溶劑中超聲充分分散攪拌，恒壓條件下，將分散均勻的碳納米纖維預沉積在超濾膜表面。本發(fā)明的超濾膜表面預沉積的碳納米纖維相當于一個簡易的膜層，優(yōu)先吸附污染物，減少膜污染。超濾膜表面預沉積的碳納米纖維源豐富，大大降低操作成本。超濾膜表面預沉積的碳納米纖維與超濾膜是物理沉積，待反應后，用塑料刮片將其輕輕刮掉再用去離子水洗即可將其完全除去。本發(fā)明方法操作簡單，成本低廉，且易于規(guī)?；褂煤屯茝V。
【IPC分類】B01D69/02, B01D67/00, B01D69/12, B01D71/34
【公開號】CN105561810
【申請?zhí)枴緾N201510970961
【發(fā)明人】劉婷, 連元龍, 孫克寧
【申請人】北京理工大學
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2015年12月22日