添加剂聚乙二醇对壳聚糖超滤膜结构和性能的影响
2020-06-01
来源:爱问旅游网
第30卷第1期 膜科学与技术 Vo1.30 No.1 Feb.2010 2010年2月 MEM喝R ANE SCIENCE AND TECHN0U Y 添加剂聚乙二醇对壳聚糖超滤膜结构和性能的影响 刘 强 ,孟范平 ,姚瑞华2,张爱静2 (1.国家海洋局北京教育培训中心,北京100194;2.中国海洋大学环境科学与工程学院,青岛266100) 摘要:以不同分子量和用量的聚乙二醇(PEG)作为壳聚糖(CS)超滤膜的添加剂,测定膜在 不同进水压力下的渗透通量和截留率,同时对膜表面进行电镜扫描观察,探讨了PEG对CS膜 性能和结构的影响规律.结果表明,PEG分子量(M)和含量(c)均能显著影响膜表面的微观 形态,随着M和c增加,膜表面的粗糙程度逐渐增强,颗粒状结构越来越明显,颗粒粒径和微 孔尺度也不断增大,膜性能表现为渗水通量逐渐增大和对BSA的截留率不断减小.当PEG分 子量达到1 000时,对膜的微观结构影响十分显著,渗水通量急剧上升,截留率则迅速降低.当 PEG800用量达10%、PEG1000用量达8%时,粒状结构突变为片状,表面孔密集成缝,当用量 进一步增大时,由于水溶胀性过大,造成膜无法获取. 关键词:壳聚糖;超滤膜;添加剂;聚乙二醇(PEG) 中图分类号: Q028.8 文献标识码:A 文章编号:1007—8924(2010)01—0024—06 壳聚糖(Chitosan,CS)是甲壳素脱乙酰的产物, 具有资源丰富和环境友好等特征.壳聚糖分子中含 有大量一NH’和一OH等功能团,易于进行改性,是 良好的制膜材料【卜 .研究表明,CS膜具有较高的 脱乙酰度90.6%,配制成黏度为120 mPa・S的1% 壳聚糖溶液(溶剂为1%乙酸);分子量为68 000的 牛血清蛋白(BSA),Sigma公司;聚乙二醇(PEG),上 海山浦化工有限公司;其它试剂均为分析纯. 分离系数和渗透通量 3,在高温下稳定性较好_4 J等 优点,受到众多研究者的广泛关注. 超声波清洗仪:KQ一50DE型,昆山市超声波 仪器有限公司;紫外可见分光光度计:T6型,北京普 析通用仪器公司;SEM电子显微镜:JSM一840型, 日本JEOL公司. 1.2 CS超滤膜的制备 L—S相转化法是壳聚糖常用的制膜技术.在其 制备过程中,添加剂种类、用量对膜的微观结构和膜 性能具有重要影,I ̄E5 J.聚乙二醇(PEG)是膜制备中 常用的一种高分子添加剂_6 J,加人少量PEG后,膜 的孔隙率高,膜孔之间贯穿性好,膜的水通量和截留 率提高[7-8].目前,PEG已较多应用于CS膜的制备 中[ 加],但尚未见PEG作为添加剂对CS超滤膜结 构和性能影响规律的系统报道. 本文研究在一定制膜工艺的基础上,通过不同 PEG分子量和用量对CS超滤膜微观结构的影响. 室温(20℃)下将1 g CS溶于2%乙酸的丙 酮一水(体积比为4:6)溶液中,加入一定量PEG,搅 拌使其充分溶解,定容至50 mL,采用超声波仪进行 脱泡1 h,得到铸膜液.将一定体积的铸膜液倒在平 整光洁玻璃板上,流延成膜层,水平放置15 rain后, 50℃下干燥1.5 h,浸入20℃,浓度为0.25 tool/L NaOH溶液中,凝固处理2 h.最后,将膜用去离子水 洗涤至中性,备用. 1.3 PEG分子量和用量对CS超滤膜的影响 1 实验部分 1.1实验材料与仪器 通过改变PEG200的用量C(在铸膜液中的 质量分数分别为4%,6%,8%,10%,12%),制得一 壳聚糖(Chitosan,CS),青岛海汇生物制品厂, 收稿日期:2008—10—29;修改稿收到日期:2009—02—19 作者简介:刘强(1981一),男,山东潍坊市人,硕士,从事水处理技术研究.(1qabbor@126.com).*通讯联系人(fan— pingm@tom.COFII) 第1期 刘强等:添加剂聚乙二醇对壳聚糖超滤膜结构和性能的影响 ・25・ 系列CS超滤膜.测定所制备的各种超滤膜在不同 压力p(0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 MPa)下对BSA溶液 (浓度为5 g/L)的渗水通量F和蛋白截留率R. 同时研究不同分子量的PEG(200、400、600、 为例(图4),M在200~800时,F逐渐增大而R缓 慢下降,且M与R存在较好的线性关系(表1),当 采用PEGIO00为添加剂时,F增大到PEG800时的 2.5倍,同时,R由PEG800时的71.4%下降为 PEGIO00时的26.7%,这表明PEG1000对铸膜体 系的影响较其它分子量的PEG更显著. 田4% 。g 9 一800、1 000)对BSA溶液的渗水通量和蛋白截留率 的影响. 1.4膜性能的测定 1)渗透通量F:将膜装于自制膜分离试验装置 (图1)中,在0.1 MPa下预压1 h,调整好压力后开 ■6% 口8% 始计时,测定一定时间内的产水量,按下式计算: 吕 F= 囫1O% 12% 在上式中,v为产水量,mL;S为有效膜面积, 30.18 cm2;t为透水时间,h. 2)截留率R:测定原水及产水在280 nnl下的 图2 PEG的分子量M对CS膜渗透 通量的影nl ̄(p=0.2 MPa) Fig.2 Effect of molecular weight of PEG on 吸光度值,按下式计算: 凸 R=(1一 )×100% ^f permeation flux of CS membrane(P:0.2 MPa) 100 式中,Af为原水吸光度值;A。为产水吸光度值. 圈4% 80 ■6% 3 \ 60 40 20 口8% 10% 12% 400 600 M 4 5 7 6 0 200 8 800 1 000 图3 PEG的分子量M对CS膜 1.原水入口;2.截流液出口;3.螺丝孔;4.O型密封垫; 截留率的影Dl ̄(p=0.2 MPa) Fig.3 Effect of molecular weight of PEG on rejection 5.壳聚糖超滤膜;6.筛绢;7.渗水陶瓷板;8.滤过液出口 图1膜分离单元构造图 Fig.1 Constructional chart of membrane separation cell ratio of CS membrane(p=0.2 MPa) 1.5膜表面结构的电镜(SEM)观察 湿膜经过质量分数分别为50%,70%,90%, 100%的乙醇逐级脱水后在液氮中冷冻,将膜样品置 于离子溅射喷金仪中,抽真空条件下镀金50 S,取出 后将样品涂上导电胶,固定在电镜样品台上,在 SEM电子显微镜下观察膜表面的微观形态. ’宕 g 2结果与分析 2.1 PEG分子量和用量对CS膜性能的影响 图4 PEG的分子量M对CS膜的渗透通量和 截留率的影响(C=6%;P=0.2 MPa) Fig.4 Effect of molecular weight of PEG on permeation 研究表明,随着PEG分子量M的增加,CS膜 的渗透通量F不断提高,而对BSA的截留率R则 不断下降(图2~图3).以PEG用量为6%的CS膜 lfux and rejection ratio of CS membrane (C=6%;P=0.2 MPa) 第1期 刘 强等:添加剂聚乙二醇对壳聚糖超滤膜结构和性能的影响 ・27・ 随着铸膜液中所添加的PEG分子量不断增大,膜表 膜表面微观形态.随着C增加,膜表面的颗粒化程 面粗糙程度逐渐增加,但是添加PEG200和 度越来越明显(图9a~C),;当C为l0%时,膜表面 PEG400制备的膜在扫描电镜(X 3 000倍)下未出 形成的微孔已清晰可辨(图9d),;当C达到12% 现明显的膜孔(图8b、c).添加PEG600制备的膜表 时,膜表面的颗粒结构已经十分清晰(图9e).同样, 面不仅出现明显的粒状结构,而且能够观察到表面 采用PEGS00和PEGIO00为添加剂所制备的CS超 的微孔(图8d).随着PEG分子量M继续增大,膜 滤膜中,也能观察到同样现象,聚合物成膜过程中所 表面的微孑L孔径和颗粒粒径不断增大.当M为800 形成的微观聚合体在不断增大.当PEG800用量达 时,微孔的孔径小于0.5 m(图8e),当M达到 到10%、PEG1000用量达到8%(图10)时,粒状增 1 000肘,孔径增大到0.5~1.5 m(图80. 大突变为片状,表面孔密集成缝,这与制膜期间肉眼 图9(a~e)为添加剂PEG600不同用量C时的 观察到的膜表面粗糙和不平整现象相符.当PF,C ̄00、 (b】 a.C=4%;b.C=6%;C.C=8%;d.C=10%;e.C=12% 图9 PEG600作为添加剂时膜表面的电镜扫描照片 Fig.9 SEM images of the surface texture of CS membranes when the additive was PEG600 PEG1000的用量分别达到12%和超过8%时,经过 NaOH溶液凝固处理后的CS膜由于水溶胀作用已 经支离破碎无法获取. 3 讨论 3.1 PEG对CS超滤膜微观结构及性能的影响规律 fa1 (b) CS超滤膜的形成是液~液相分离过程,膜结构 a.C=8%:b.C=10% 主要取决于相分离时铸膜液的组成【n .本研究 图10 PEG800用量为10%和PEG1000用量为8%时的 膜表面电镜扫描照片 中,铸膜液中聚合物浓度、溶剂组成、蒸发时间、凝固 Fig.10 SEM images of the surface texture of CS 条件保持不变,因此CS超滤膜的结构主要取决于 membranes as P]BG8O0 and PEG1000 were used as 铸膜液中添加剂PEG的分子量(M)及用量(C).实 additives respectively 验表明,M和C对膜表面微观形态和膜性能指标 ・28・ 膜科学与技术 第30卷 (F和R)有显著影响,随着M或C的不断增大,膜 表面的粗糙程度越来越大,颗粒状结构越来越明显, 在膜性能上则表现为F的持续增大和R的不断减 小.这种规律与前人采用PEG作为添加剂制备聚醚 砜膜[13]、醋酸纤维素膜[ 一 、聚丙烯酰胺膜[ ]和 聚砜膜l17]时的研究结论一致. 一方面,添加剂PEG分子中的一OH通过氢键 与溶剂形成缔合分子,改变了聚合物的溶剂环境,与 CS分子争夺溶剂,使溶液内出现不均匀性,铸膜液 中cs分子排布的有向性增强,形成较大的高分子 聚集体,而膜孔的形成在很大程度上取决于凝胶前 对铸膜液中高分子聚集态的控制,较大的高分子聚 集体形成的膜孔径较大,因此,PEG分子量和用量 越大,膜孔径就会越大.另一方面,PEG的分子量和 用量增大,能增大铸膜液体系热力学不稳定性,使相 容性变差,还会加快共混体系的凝胶化速率【uj,加 速了相分离,使界面微孔数量增多,并在一定程度上 限制CS分子链的重排与CS分子构象变化,最终形 成的表面孔尺寸变大,导致膜的水通量相应增大和 截留率下降. 3.2 PEG在成膜过程中的作用 当铸膜液进人凝固浴后,在铸膜液上表面首先 发生沉淀作用,形成致密层,随着溶剂和凝固剂通过 致密层进行双向扩散,铸膜液内部的溶剂逐步被凝 固剂所取代.反应达到一定程度时,CS凝固而聚集, 聚集体之间的空隙则形成微孔.PEG的加入使得 Cs聚合物在铸膜液中的分散程度增加.分相时,CS 聚合物富相通过凝胶形式固化成为膜的连续相;而 分散的聚合物贫相中溶剂和添加剂PEG被洗脱,成 为膜的孔或空腔,在制膜过程中贫相不断增大而相 互贯穿形成膜孔之间的连通,这就是PEG的致孔作 用,所形成的微孔大小取决于添加剂在铸膜体系中 占据的空间大小,PEG的分子量和用量越大,膜表 面的孔径和膜内部的孔隙就会越大【11 J.本试验的结 果也证实了这一点(图9):PEG600用量C在4%~ 12%范围内增加时,膜表面的颗粒化程度越来越明 显,膜表面微孔逐步清晰可辨,当C达12%时,膜表 面颗粒结构已经十分清晰,颗粒间隙也很明显,最大 间隙长度可达2 m.有报道认为[12,18],膜孔径的大 小与膜表面的起伏度、粗糙程度及颗粒的粒径呈正 相关.粒状结构的出现以及膜表面粗糙程度的增大, 将大大增加膜的有效分离面积,渗透通量会随之增 大,截留率则随之减小.有研究人员l J曾采用平面 粗糙度的概念描述了表面致密层的结构与透水量之 间的这种关系. 除致孔作用外,非溶剂添加剂PEG还能改变铸 膜液中聚合物的聚集态、溶液热力学行为以及凝胶 的动力学行为[20,21],在一定程度上对膜结构产生影 响,最终影响到超滤膜的性能. 4结论 1)铸膜体系中加入PEG对CS超滤膜表面的 微观形态和性能有显著影响.在一定范围内,随着 PEG分子量和用量增大,膜表面的粗糙化、颗粒化 程度越来越大,颗粒的粒径和微孔尺度也不断增大; 在膜性能上表现为对BSA溶液渗水通量的持续增 大和截留率的不断减小.在PEG用量一定的情况 下,PEG分子量在200~800之间与膜的截留率存 在较好的线性相关性. 2)当PEG800用量为10%和PEG1000用量达 到8%时,CS超滤膜表面的粒状增大突变为片状, 表面孔密集成缝.PEG用量继续增加时,因水溶胀 性过大导致膜的机械强度降低而极易破碎.因此,选 择适量PEG的用量,对控制膜性能具有重要意义. 3)PEG对成膜过程的影响不仅是致孔作用,还 能通过改变铸膜液中聚合物的聚集态、溶液热力学 行为和凝胶的动力学行为,对膜结构产生综合影响, 从而导致膜性能的改变. 参考文献 [1]蒋挺大.甲壳素IN].北京:化学工业出版社,2003. 12 J Mi FL,TanYC,LinagHF,eta1.In vivobiocompati— bility and degradability of a novel injectable chitosan— based implnat[J].Biomaterials,2002,23:181—191. [3]Ge J J,CvifYF,YanY,eta1.The effcetof structureon pervaporation of chitosan membrnae[J].J Membr Sci, 2000,165:75—81. [4]Kim J H,Kim J Y,Lee Y M,et a1.Prope ̄ies and swelling characteristics Of cross—linked pD1y(vinyl aleo— ho1)/chitosan blend membrane[J].J Appl Poly Sci, 1992,45:1711—1717. [5]Chuang W Y,Young T H,Chiu W Y,et a1.The effect of polymeric additives on the structure and permeability of poly(vinyl alcoho1)asymmetric membrnaes[J].Polymer, 2000,41:5633—5641. [6]柯林楠,吴光夏,续曙光.添加剂PEG对共混超滤膜结 构和性能的影响[J].环境科学,2005,26(1):108—111. 第1期 刘强等:添加剂聚乙二醇对壳聚糖超滤膜结构和性能的影响 ・29・ [7]Ramam thy Malaisamy,[braiswarny R M,M ̄wamy cellulose acetate membranes with additive[J].European Rajendra ̄Polyurethane and sul——fnoated polysulfone blend Polymer J,2004,40:2 153—2 159. ultrafiltration mmabranes.I.Preparation and characterizatino [15]Arthanareeswaran G,Thanikaivelan P,Abdoul Raguime studies[J].J Colloid InterfaceSci,2002,254:129—140. J.Metal ion separation and protein removal from aqueous [8]孙漓青,钱英,刘淑秀,等.聚偏氟乙烯、磺化聚砜共混相 solutions using modifide cellulsoe acetate membranes: 容陛及超滤膜研究[J].膜科学与技术,2001,21(2):1—5. Role of polymeirc additives[J].Sep Purif Technol, [9]田淑杰,陈寅生,陈勇.壳聚糖聚乙二醇活性炭共混超 2007,55:8—15. 滤膜制备及性能研究[J].环境科学与技术,2007,20 [16]Wang Z G,Xu Z K.Modulation the morp ̄logise nad per— (9):92—94. formance of polyacrylonitrile——based asymmetric membranes [10]孙建民,于丽青,陈晓.壳聚糖超滤膜的研究[J].膜 ocntaining reactivegroups:Effect 0f ilon—solvents in the 科学与技术,2004,24(6):73—75. dope oslution[J].J Membr Sci,2006,278:447—456. [11] J M A,Noh S H,Chowdhurry G,et a/.Influence of [17]Kim J H,Kew H L.Effect of PEG additive on mem— surface tensions of solvent/non——solvent mixtures in mt ̄il— brnae formation by phase inversion[J].J Membr Sci, brane castingsolutinos on the pdf()In踟of poly(2,6一 1998,138:153—163. dimethyl一1,4一phenylnee)oxide membranes for gas sepa— [18]Zhenxin Z,Matsuura T.Discussions on the formation ration applications[J].J Membr Sci,2000,174:225—231. mechanism of surface pores in reverse somosis,ultrafiltra— [12]Kesting R E.The four tiers of structure in integrally tion,and microfiltration membranes prepared by phase skinned phase inversion membranes and their relevance to inversion process[J].J Colloid Interface Sci,1991,147 the various separation regimes[J].J Appl Polym Sci, (2):307—318. 1990,41:2 739—2 745. [19]松本丰,高以,岑运华.日本NF膜、低压超低压RO [13]Idris A,Zain N M,Noordin M Y.Synthesis,characteir— 膜及应用技术的发展[J].膜科学与技术,1998,18(5): zation and performance of asymmetirc poly——ethersulfone 11—18. (PES)ultrafiltration membranes with polyethylene glycol [20]李战胜,江成璋.非溶剂添加剂对PES/NMP铸膜液性 of different molecular weights as additives[J].Desalina— 质的影响[J].膜科学与技术,2001,21(5):1—6. tion,2007,207:324—339. [21]孙俊芬,武利顺,王庆瑞.聚乙二醇对聚醚砜超滤膜微 [14]Arthanareeswaran G,Thanikaivelna P,Srinivasn K,et 结构和性能的影响[J].功能高分子学报,2003,16(3): a1.Synthesis,characterization and thermal studies on 323—33】. Effects 0f PEG as additive on the performance 0f UF membrane fabricated by Chitosan LIU Qiang ,MENG Fanping2 ,YAO Ruihua2,ZHANG Aijingz (1.Beijing Education and Training Center,SOA,Beijing 100194,China;2.College of Environmental Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China) Abstract:A series of CS membranes were fabricated which PEG served as additive with different molecular weight(M)and dosage(C).Their permeate flux(F)and rejection ratio(R)were tested under different hy— draulic pressure.scanning electron microscope(SEM)was also used to discuss the influence law of PEG on the property and structure of CS membranes.The results indicated that,microcosmic texture of membrane surface was evidently affected by M and C.With the increase of M or C,micro—surface texture became more rough, granulation degree of membrane became more obvious,size of micropore increased unceasingly as granule radius became larger,and F raised gradually,R became smaller continually.The addition of PEG1000 lead to a dis— tinct change in membrane micro—surface,accompanied by a sharp rise in F and a rapid decrease in R.It had been observed that granule on the membrane surface became patch when the dosage of PEG800 and PEG1000 were 10%and 8%.at the same time,slot appeared as pores connected.With the further increase in dosage of PEG800 and PEG1000,CS membrane cannot be obtained for water swelling augmenting. Key words:chitosan;ultrafiltration membrane;additive;polyethylene glycol(PEG)