一种辣素衍生物改性中空纤维膜的制备工艺的制作方法

本技术涉及超滤膜的，更具体地说，它涉及一种辣素衍生物改性中空纤维膜的制备工艺。

背景技术：

1、塑料制品因其成本低廉、延展性强、性质稳定等特点而被广泛应用于人类的生产生活中，塑料制品的大量使用和塑料废弃物的管理不善导致了严重的环境污染问题。微塑料是指直径小于5 mm的塑料颗粒，纳塑料是指直径小于1 μm的塑料颗粒，两者统称为微纳塑料（mnps）。mnps是一种新型污染物，广泛分布在水体、大气、土壤等环境介质中。

2、对微纳塑料的去除方法主要有物理、物理化学以及生物处理等方式，其中物理处理的方式较为常用。物理去除方法主要指过滤法，包括砂滤、纳滤和超滤等，其中膜分离技术去除效果较好，膜工艺可以有效截留微塑料，其中超滤、反渗透有望完全去除微塑料。但在污水处理过程中，也面临着许多问题：传统超滤膜孔径不均，孔径范围跨度较大，导致超滤膜对新污染物mnps的分离效果不稳定、去除效果不佳，且污水处理厂每天的处理量普遍数以万吨计，仍有大量的mnps被排放至环境中。传统pvdf超滤膜因其材料强疏水化的特性从而易发生膜污染，且经物理冲洗、化学试剂、机械应力、微生物作用会出现损坏、断裂、老化，以及超滤膜二次释放mnps污染等问题。

3、因此，亟待研究一种高效去除污水处理厂排放的污水中微塑料，同时又能够抗污染，孔径均匀、机械强度高和使用寿命长的超滤膜，提升污水处理厂对mnps截留效果，推动相关环保功能材料和膜集成设备产业的发展。

技术实现思路

1、为了改善超滤膜对mnps的截留效果，本技术提供一种辣素衍生物改性中空纤维膜的制备工艺，采用如下的技术方案：

2、本技术提供一种辣素衍生物改性中空纤维膜的制备工艺，包括以下步骤：

3、s1、辣素衍生物的合成：分别取n-（5-甲基-3-异丁基-2羟基-苄基）-丙烯酰胺（mbhba）、甲基丙烯酸甲酯（mma）、丙烯酰胺（am）、丙烯酸乙酯（ea）、丙烯酸丁酯（ba），溶于混合溶剂中，转移至容器中，混合加热；取偶氮二异丁腈（aibn）与甲苯混合，得到引发剂溶液，向容器中加入引发剂溶液，持续反应，反应结束后用无水乙醇洗涤，烘干后得到辣素衍生物；

4、s2、铸膜液的制备：分别取聚偏氟乙烯、辣素衍生物、聚乙烯吡咯烷酮以及溶剂，将辣素衍生物与聚偏氟乙烯置于干燥箱中干燥，将干燥后的聚偏氟乙烯溶于溶剂中，加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌，再加入干燥后的辣素衍生物，持续搅拌，静置脱泡，得到铸膜液；

5、s3、纤维膜制备：将均质铸膜液压入喷丝头中，以高压氮气作为压力源，铸膜液均匀裹覆在支撑管外表面，浸没于凝胶浴槽发生相转化固化成膜，制成的中空纤维膜在蒸馏水中浸泡，再用甘油水溶液浸泡，晾干，得到中空纤维膜。

6、通过采用上述技术方案，本技术优选采用辣素衍生物与pvdf配合制备中空纤维膜，首先，pvdf具有较高的机械性能以及热稳定性，能够使中空纤维膜获得较佳的机械性能，降低了中空纤维膜易断裂的现象的发生。其次，辣素衍生物中具有亲水性优异的亲水基团以及抑菌基团，辣素衍生物能够在中空纤维膜上构筑稳固亲水抑菌功能层，改善中空纤维膜的通量，并且亲水基团的引入，有效降低因pvdf自身的疏水性致使蛋白质、胶体等疏水性有机物在表面产生吸附污染的可能性，使中空纤维膜获得优良的抗污染性。最后，本技术优选采用相转换法与支撑管编织工艺配合制备中空纤维膜，使中空纤维膜获得内部相互连通、孔径致密均匀的结构，能够有效提高中空纤维膜对mnps的分离效果。

7、可选的，所述铸膜液包括以下质量百分比原料：

8、聚偏氟乙烯 18%；

9、辣素衍生物 0.5-3%；

10、聚乙烯吡咯烷酮 5%；

11、溶剂 余量。

12、通过采用上述技术方案，本技术优选采用聚乙烯吡咯烷酮作为制孔剂，能够使中空纤维膜获得平均孔径小、孔隙率高、孔径分布窄、高纯水通量以及高截留率等优点。同时，优化了铸膜液中各组分的配比，在适宜配比下，铸膜液能够获得优良的成膜效果以及较佳的透水性，进一步改善中空纤维膜对mnps的去除效果。

13、可选的，所述铸膜液还包括无机粒子，所述无机粒子包括二氧化硅、二氧化钛以及氯化镁。

14、通过采用上述技术方案，二氧化硅、二氧化钛以及氯化镁的加入，能够吸附并镶嵌于中空纤维膜的表面，能够适当增大中空纤维膜的孔径，并利用氢键以及配位作用吸附于pvdf分子链，促使高分子链收缩，提高了中空纤维膜表面的粗糙度以及机械强度，能够改善中空纤维膜的亲水性以及抗污染效果。并且，由于二氧化钛自身具有较佳的抗菌性以及吸附性，能够对负载于中空纤维膜表面的微生物进行灭杀，有效改善中空纤维膜的抗菌效果。

15、可选的，所述二氧化硅、二氧化钛以及氯化镁的质量比为1.2:2:8-10。

16、通过采用上述技术方案，优化了无机粒子中各组分的配比，在适宜的配比下，无机粒子之间能够相互配合并发生相互作用，充分负载于中空纤维膜表面，以改善中空纤维膜的亲水性以及机械强度。

17、可选的，所述辣素衍生物包括以下重量份原料：

18、n-（5-甲基-3-异丁基-2羟基-苄基）-丙烯酰胺 2.36-2.38份；

19、甲基丙烯酸甲酯 135-200份；

20、丙烯酰胺 17.5份；

21、丙烯酸乙酯 9.1份；

22、丙烯酸丁酯 21.1份；

23、偶氮二异丁腈 1.5份。

24、通过采用上述技术方案，本技术中辣素丙烯酰胺衍生物在偶氮二异丁腈的引发下产生自由基，进而与丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯以及丙烯酸丁酯之间发生共聚形成具有亲水基团与抗菌基团的辣素衍生物。丙烯酰胺具有较佳的亲水性，共聚接枝后，使辣素衍生物获得亲水基团。优化了甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯以及丙烯酸丁酯的配比，能够使软硬单体的配比适宜，使辣素衍生物能够获得优良的成膜效果，即改善中空纤维膜的成膜效果。

25、可选的，步骤s3中的支撑管为经改性剂改性处理的支撑管，所述改性剂包括羧甲基纤维素。

26、通过采用上述技术方案，利用羧甲基纤维素对支撑管进行改性处理，羧甲基纤维素能够与pvdf之间通过自交联的方式发生结合，有效提高了铸膜液对支撑管的浸润性，即提高铸膜液与支撑管之间的粘结效果，固化成膜后铸膜液能够与支撑管之间形成良好的界面层，有效改善中空纤维膜的机械强度。

27、可选的，所述改性处理如下：将羧甲基纤维素与水混合，配置得到改性溶液，将支撑管浸渍于改性溶液中，取出支撑管，干燥，得到改性支撑管。

28、通过采用上述技术方案，通过简单的浸渍处理即可在支撑管表面形成羧甲基纤维膜，以改善支撑管与铸膜液之间的结合效果，改性处理的操作简单，有利于批量化实现。

29、可选的，所述纤维膜为经表面处理的纤维膜，所述表面处理包括如下步骤：将纤维膜浸渍于茶多酚溶液中，取出纤维膜，洗涤，干燥，得到茶多酚改性纤维膜。

30、通过采用上述技术方案，本技术采用茶多酚对纤维膜表面进行处理，能够在纤维膜表面形成茶多酚涂层，茶多酚的分子结构中具有大量的酚羟基，因此茶多酚涂层的形成能够有效改善中空纤维膜的亲水性，从而改善中空纤维膜的抗污性。同时，在纤维膜浸渍于茶多酚溶液中时，负载于纤维膜表面的二氧化钛能够形成二氧化钛分散液，进而通过螯合作用形成酚-金属的配位交联网络，能够有效改善茶多酚涂层的稳定性，使中空纤维膜能够在各种复杂环境中使用，提高中空纤维膜的应用性。

31、可选的，所述茶多酚溶液的制备如下：将茶叶与水按固液比1:20-30混合，得到混合液，向混合液中加入盐酸，调节ph，搅拌，振荡，过滤，保留滤液，即为茶多酚溶液。

32、通过采用上述技术方案，优化了茶叶与水的固液比，在适宜的固液比下能够得到茶多酚含量适中的溶液，能够充分对纤维膜进行改性，还具有较佳的成膜性以及较低的成本。

33、可选的，所述表面处理包括如下步骤：将纤维膜浸渍于茶多酚溶液与硅溶胶的混合液中，取出纤维膜，洗涤，干燥，得到茶多酚改性纤维膜。

34、通过采用上述技术方案，通过茶多酚与硅溶胶配合，硅溶胶中含有大量的硅烷醇，硅烷醇能够与酚羟基之间形成氢键，使茶多酚能够包裹于硅溶胶，硅溶胶沉积较快且体积较小，进而能够带动茶多酚与硅溶胶同步进入纤维膜的膜孔中，使膜孔获得亲水效果。同时，茶多酚包裹硅溶胶沉积于纤维膜表面，由于纤维膜中已经存在二氧化硅粒子，能够提高茶多酚与纤维膜之间的结合效果，而且茶多酚与硅溶胶形成的涂层能够赋予纤维膜更为粗糙的表面，能够进一步改善纤维膜的亲水效果。

35、综上所述，本技术具有以下有益效果：

36、1、由于辣素衍生物具有良好亲水基团、抑菌性，在中空纤维膜上构筑稳固亲水抑菌功能层，提高膜通量并赋予膜高抗污染性，同时还进一步提高了纤维膜的机械性能。本技术采用相转化法加上独特支撑管编织工艺制备中空纤维膜，使纤维膜内部相互连通、孔径致密均匀，获得稳定的分离效果。

37、2、本技术中利用羧甲基纤维素对支撑管进行改性处理，羧甲基纤维素能够与pvdf之间通过自交联的方式发生结合，有效提高了铸膜液对支撑管的浸润性，即提高铸膜液与支撑管之间的粘结效果，固化成膜后铸膜液能够与支撑管之间形成良好的界面层，有效改善中空纤维膜的机械强度。

38、3、本技术采用茶多酚对纤维膜表面进行处理，能够在纤维膜表面形成茶多酚涂层，茶多酚的分子结构中具有大量的酚羟基，因此茶多酚涂层的形成能够有效改善中空纤维膜的亲水性，从而改善中空纤维膜的抗污性。同时，在纤维膜浸渍于茶多酚溶液中时，负载于纤维膜表面的二氧化钛能够形成二氧化钛分散液，进而通过螯合作用形成酚-金属的配位交联网络，能够有效改善茶多酚涂层的稳定性，使中空纤维膜能够在各种复杂环境中使用，提高中空纤维膜的应用性。