添加劑對(duì)醋酸纖維素膜結(jié)構(gòu)和性能的影響

牛彩云 李巧玲

摘 要：以納米二氧化鈦為添加劑，N，N-二甲基甲酰胺（DMF）和N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）為溶劑，通過(guò)相轉(zhuǎn)化法制備了醋酸纖維素（CA）/納米TiO2復(fù)合超濾膜。用掃描電鏡SEM觀察了制備的CA及CA/TiO2復(fù)合超濾膜的表面結(jié)構(gòu)，討論了納米TiO2的加入對(duì)膜的孔隙率、水通量、截留率的影響，結(jié)果表明：在一定溶劑比例下，隨著納米TiO2的加入使膜的孔隙率增加并且抗菌性增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：醋酸纖維素；復(fù)合膜；納米二氧化鈦

中圖分類號(hào)：TQ028.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

由于醋酸纖維素造價(jià)低廉、來(lái)源廣泛、親水性好、制膜過(guò)程簡(jiǎn)單、成膜性能好等特點(diǎn)，所以通常用來(lái)制備有機(jī)膜。但是CA膜存在抗壓性、抗菌性能差等缺點(diǎn)，較大的限制了CA膜的應(yīng)用范圍。所以選取無(wú)機(jī)納米粒子TiO2作為添加劑。TiO2擁有良好的光催化效果，能夠分解有機(jī)化學(xué)物質(zhì)和殺死細(xì)菌，且納米TiO2添加到有機(jī)聚合膜中會(huì)增加膜強(qiáng)度、提高水通量、加強(qiáng)膜的親水性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑

醋酸纖維素，化學(xué)純，N，N-二甲基甲酰胺，分析純，N-甲基-2-吡咯烷酮，分析純

主要儀器與設(shè)備：

Tensor27紅外光譜儀，SU-1500掃描電子顯微鏡，AUY-220電子分析天平，KQ-250DB數(shù)控超聲波清洗器，HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋，81-2恒溫磁力攪拌器。

1.2 復(fù)合膜的制備

分別稱一定質(zhì)量的CA及一定質(zhì)量比的CA和納米TiO2，于250ml燒杯中；室溫下開(kāi)啟磁力攪拌器進(jìn)行低速攪拌，待其完全溶解后停止攪拌，超聲分散1小時(shí)后得到均勻分散的鑄膜液，靜止放置進(jìn)行脫泡。以流延法將鑄膜液傾倒到干凈的玻璃板上，用玻璃棒刮成厚度1um左右的薄層，用相轉(zhuǎn)化法制膜，即連同玻璃板，將膜置于去離子水中凝膠定型。

2 膜的表征及性能測(cè)試

2.1 膜表面形態(tài)分析

采用日本日立公司SU-1500型號(hào)掃描電子顯微鏡，來(lái)觀察樣品表面形貌。

2.2 孔隙率的計(jì)算

把在去離子水中充分溶脹的超濾膜用吸水紙吸干，稱重m1；將膜放在陰涼通風(fēng)處晾干，再放入烘箱中烘干，稱重m2；以膜的含水量定義膜的孔隙率，以下試計(jì)算孔隙率：

2.3 純水通量的測(cè)試

水通量即純水透過(guò)率，指在一定流速、溫度、壓力下，單位時(shí)間，單位膜面積超濾膜的純水透過(guò)量。用公式計(jì)算：

J=Q/At

式中：J為純水透過(guò)率，L/m-2· h-1；Q為純水透過(guò)量（L）；A為膜有效面積（m2）；t為收集純水透過(guò)量所需的時(shí)間（h）。

2.4 截留率的測(cè)試

截留率為膜截留特定溶質(zhì)占溶液總特定溶質(zhì)的比率。用來(lái)表征膜的分離能力。聚乙二醇與Dragendoff試劑可以生成橘紅色的絡(luò)合物，用分光光度計(jì)測(cè)試溶液中的聚乙二醇含量，將已知分子量的聚乙二醇加入水中，使其通過(guò)復(fù)合膜，測(cè)試過(guò)濾前后聚乙二醇溶液濃度變化，用公式計(jì)算出截留率：

式中：Ru為截留率（%）；C1為原液中的聚乙二醇濃度（mg/L）；C2為透過(guò)液中的聚乙二醇濃度（mg/L）。

3 結(jié)果與討論

3.1 掃描電鏡分析

在掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，加入TiO2對(duì)膜的結(jié)構(gòu)有很大影響，（a）中未完全溶解且表面不光滑，其未溶解的白色顆粒可能是CA，膜表面雖有孔形成，但大小不一且分散不均勻，但加入TiO2后，微孔數(shù)明顯增多且分散較為均勻，主要因?yàn)榭椎男纬芍饕蕾囉谌軇┡c非溶劑之間轉(zhuǎn)化，TiO2與溶劑以及聚合物之間存在吸附和氫鍵的作用，使得溶劑與非溶劑之間轉(zhuǎn)換變慢，從而孔數(shù)增多 。

3.2 孔隙率的測(cè)定

孔隙率越大，膜的滲透性能越好，水通量越高，根據(jù)膜孔隙率的計(jì)算：加入納米TiO2之前，膜的孔隙率為78.4%；加入TiO2之后，膜的孔隙率為81.3%。孔隙率的增加，微孔數(shù)增多，孔隙分布變窄，膜的親水性也會(huì)增強(qiáng)，但是過(guò)高的TiO2含量，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的納米顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，而造成膜的各項(xiàng)指標(biāo)性能下降。

3.3 TiO2對(duì)膜的抗菌性菌性的影響

經(jīng)過(guò)單膜與復(fù)合膜的對(duì)比，在添加TiO2后培養(yǎng)基醋酸纖維素/ TiO2膜周圍出現(xiàn)抑菌圈。這說(shuō)明了CA/TiO2復(fù)合膜有一定的殺菌效果。

結(jié)論

納米TiO2粒子的加入只起到了物理共混的作用，并未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；使膜的孔隙率提高，膜表面微孔數(shù)增多，有效的改善了膜的結(jié)構(gòu)。當(dāng)納米TiO2含量為2%時(shí)，膜的性能明顯得到改善，親水性明顯增強(qiáng)純水通量以及截留率都有所提高。添加后可以明顯提高膜的抗菌、抗污染性能。

參考文獻(xiàn)

[1]汪錳，王湛，李正雄. 膜材料及其制備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2] Rahimpour， M.Jahanshahi， B.Rajaeian， et al.TiO2 entrapped nano-composite PVDF/SPES membranes： Preparation， characterization， antifouling and antibacterial properties .Desalination， 2011， 278（1-3）： 343～353.

[3] 王忠明，王喆，鄭業(yè)燦. 溶膠凝膠法制備磺化聚砜/二氧化鈦超濾膜[J].塑料工業(yè)，2011，39（06）：91-94.

[4] 王家芳，章文貢.溶膠—凝膠法合成有機(jī)—無(wú)機(jī)雜化膜材料進(jìn)展.—1.組分間以化學(xué)鍵力作用的有機(jī)—無(wú)機(jī)雜化材料[J].高分子通報(bào)，2001（01）：60-67.

[5] 徐瑛，何小松，陳雪梅，等.殼聚糖/二氧化鈦的制備及抗菌催化性能[J].應(yīng)用化工，2011，40（06）：969-974.