响应面法优化联苯聚酰胺中空纤维复合膜制备工艺_刘宇

第31卷第6期膜科学与技术Vol.31No.62011年12月MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGYDec.2011响应面法优化联苯聚酰胺中空纤维复合膜制备工艺刘宇,何本桥*,李建新(天津工业大学中空纤维膜材料与膜过程省部共建国家重点实验室培育基地,天津工业大学材料科学与工程学院,天津300160)摘要:应用响应面法优化3,3′,5,5′-联苯四甲酰氯(BTEC)和间苯二胺(MPDA)界面聚合工艺中各影响因素(水相单体浓度、有机相单体浓度、聚合时间以及水相浸没时间),研究各影响因素及其交互作用对膜分离性能的影响.通过中心组合设计实验,并采用回归分析拟合得到二次方模型.结果发现BTEC浓度、MPDA浓度、聚合时间和水相浸没时间对脱盐率的影响显著性依次降低.BTEC和MPDA单体浓度的交互作用对膜脱盐率影响最显著,其次是MPDA浓度与聚合时间的交互作用,而BTEC浓度与水相浸没时间的交互作用最弱.最优操作参数:MPDA浓度9.1g/L、BTEC浓度1.2g/L、水相浸没时间65min、聚合时间123s,预测脱盐率为99.10%,而在此条件下实际值为98.97%,二者十分接近.在此条件下得到致密均一的聚酰胺复合膜.关键词:响应面方法;聚酰胺;中空纤维;反渗透中图分类号:TQ028.8文献标识码:A文章编号:1007-8924(2011)06-0019-06新型反渗透复合膜是以多孔支撑层为骨架,以多元胺与多元酰氯为单体通过界面聚合制备的聚酰胺复合膜.它凭借其优异的性能已成为一种重要的商业膜,广泛应用于海水淡化、苦咸水脱盐、超纯水制备等多领域.目前,提高膜的性能(如脱盐率、水通量、抗污染性能)仍是人们追求的目标[1,2],而优化制膜工艺已成为提高复合膜性能的重要手段[3-5].通常,影响膜性能的工艺参数较多(如单体浓度、水相浸没时间以及聚合时间等),考察它们对膜性能的影响尤为重要.目前常用的优化手段主要是单因素优化法(如正交实验法),往往不能考察各因素交互作用的影响[6],而响应面方法能够弥补其不足.响应面法是利用数学统计方法,研究不同水平下各个因素以及各因素之间交互作用对目标性能的影响.它能够在有限的实验次数下,对影响因子及其交互作用进行评价,而且还能对各因素进行优化,以获得影响过程的最佳条件,是一种更科学的工艺优化方法[7].3,3′,5,5′-联苯四甲酰氯(BTEC)是一种新型的功能性单体,由于其具有大的分子体积以及分子链间距,可以制得高脱盐率和高水通量反渗透复合膜[8].我们在前期的工作中研究了BTEC/间苯二胺(MPDA)聚酰胺膜结构演变及分离性能变化的规律[9].本文尝试应用响应面方法研究BTEC/MPDA界面聚合过程中各因素(如水相单体浓度、有机相单体浓度、聚合时间以及水相浸没时间)及其交互作用对反渗透复合膜性能的影响,并优化工艺条件,以期进一步提高复合膜性能.1实验1.1材料及复合膜制备3,3′,5,5′-联苯四甲酰氯(BTEC)由中国科学院长春应用化学研究所提供(其合成方法见文收稿日期:2010-09-13;修改稿收到日期:2010-11-02基金项目:国家高科技“863”计划(2009AA03Z223);国家自然科学基金资助项目(20876115);天津市应用基础及前沿技术研究计划(08JCYBJC26400)作者简介:刘宇(1984-),女,辽宁省抚顺市人,在读硕士,从事反渗透复合膜的研究.*联系人〈hebenqiao@tjpu.edu.cn〉DOI:牨牥牨牰牨牭牴牤jcnkiissn牨牥牥牱牠牳牴牪牬牪牥牨牨牥牰牥牥牳20膜科学与技术第31卷献[8]),间苯二胺(MPDA)从天津光复化学有限公司购买.聚砜中空纤维超滤膜由本实验室自制,截留分子量为20000Da,内外径分别为0.2mm、0.35mm.将一定量的MPDA溶于缓冲溶液(三乙胺为10g/L、十二烷基磺酸钠为0.5g/L、用樟脑磺酸调节pH至10)制得水相,将一定量的BTEC溶解在正己烷中制得有机相.将经5g/L的PEG溶液预处理的聚砜基膜浸入水相中一段时间后取出,除去基膜表面多余溶液,然后浸入有机相中反应一段时间,沥干,再经热处理得到聚酰胺复合膜.1.2复合膜的性能测试及表征将制备好的中空纤维复合膜制成膜组件用于分离性能测试[10].NaCl水溶液浓度采用电导率仪测定并计算复合膜脱盐率R.所有测试都在室温下(25℃)采用错流过滤(流速0.76m/min)方式进行,操作压力为0.7MPa.应用美国制造的原子力显微镜(AgilentAFM5500,USA)测试复合膜表面形态.1.3实验设计影响复合膜分离性能的因素有很多,根据文献[3-5]结果,水相MPDA浓度(A)、有机相BTEC浓度(B)、水相浸没时间(C)以及有机相浸没时间(或聚合时间