添加剂对醋酸纤维素膜结构和性能的影响

牛彩云 李巧玲

摘 要：以纳米二氧化钛为添加剂，N，N-二甲基甲酰胺（DMF）和N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）为溶剂，通过相转化法制备了醋酸纤维素（CA）/纳米TiO2复合超滤膜。用扫描电镜SEM观察了制备的CA及CA/TiO2复合超滤膜的表面结构，讨论了纳米TiO2的加入对膜的孔隙率、水通量、截留率的影响，结果表明：在一定溶剂比例下，随着纳米TiO2的加入使膜的孔隙率增加并且抗菌性增强。

关键词：醋酸纤维素；复合膜；纳米二氧化钛

中图分类号：TQ028.8 文献标识码：A

由于醋酸纤维素造价低廉、来源广泛、亲水性好、制膜过程简单、成膜性能好等特点，所以通常用来制备有机膜。但是CA膜存在抗压性、抗菌性能差等缺点，较大的限制了CA膜的应用范围。所以选取无机纳米粒子TiO2作为添加剂。TiO2拥有良好的光催化效果，能够分解有机化学物质和杀死细菌，且纳米TiO2添加到有机聚合膜中会增加膜强度、提高水通量、加强膜的亲水性。

1 实验部分

1.1 主要试剂

醋酸纤维素，化学纯，N，N-二甲基甲酰胺，分析纯，N-甲基-2-吡咯烷酮，分析纯

主要仪器与设备：

Tensor27红外光谱仪，SU-1500扫描电子显微镜，AUY-220电子分析天平，KQ-250DB数控超声波清洗器，HH-2数显恒温水浴锅，81-2恒温磁力搅拌器。

1.2 复合膜的制备

分别称一定质量的CA及一定质量比的CA和纳米TiO2，于250ml烧杯中；室温下开启磁力搅拌器进行低速搅拌，待其完全溶解后停止搅拌，超声分散1小时后得到均匀分散的铸膜液，静止放置进行脱泡。以流延法将铸膜液倾倒到干净的玻璃板上，用玻璃棒刮成厚度1um左右的薄层，用相转化法制膜，即连同玻璃板，将膜置于去离子水中凝胶定型。

2 膜的表征及性能测试

2.1 膜表面形态分析

采用日本日立公司SU-1500型号扫描电子显微镜，来观察样品表面形貌。

2.2 孔隙率的计算

把在去离子水中充分溶胀的超滤膜用吸水纸吸干，称重m1；将膜放在阴凉通风处晾干，再放入烘箱中烘干，称重m2；以膜的含水量定义膜的孔隙率，以下试计算孔隙率：

2.3 纯水通量的测试

水通量即纯水透过率，指在一定流速、温度、压力下，单位时间，单位膜面积超滤膜的纯水透过量。用公式计算：

J=Q/At

式中：J为纯水透过率，L/m-2· h-1；Q为纯水透过量（L）；A为膜有效面积（m2）；t为收集纯水透过量所需的时间（h）。

2.4 截留率的测试

截留率为膜截留特定溶质占溶液总特定溶质的比率。用来表征膜的分离能力。聚乙二醇与Dragendoff试剂可以生成橘红色的络合物，用分光光度计测试溶液中的聚乙二醇含量，将已知分子量的聚乙二醇加入水中，使其通过复合膜，测试过滤前后聚乙二醇溶液浓度变化，用公式计算出截留率：

式中：Ru为截留率（%）；C1为原液中的聚乙二醇浓度（mg/L）；C2为透过液中的聚乙二醇浓度（mg/L）。

3 结果与讨论

3.1 扫描电镜分析

在扫描电镜下观察发现，加入TiO2对膜的结构有很大影响，（a）中未完全溶解且表面不光滑，其未溶解的白色颗粒可能是CA，膜表面虽有孔形成，但大小不一且分散不均匀，但加入TiO2后，微孔数明显增多且分散较为均匀，主要因为孔的形成主要依赖于溶剂与非溶剂之间转化，TiO2与溶剂以及聚合物之间存在吸附和氢键的作用，使得溶剂与非溶剂之间转换变慢，从而孔数增多 。

3.2 孔隙率的测定

孔隙率越大，膜的渗透性能越好，水通量越高，根据膜孔隙率的计算：加入纳米TiO2之前，膜的孔隙率为78.4%；加入TiO2之后，膜的孔隙率为81.3%。孔隙率的增加，微孔数增多，孔隙分布变窄，膜的亲水性也会增强，但是过高的TiO2含量，会产生严重的纳米颗粒团聚现象，而造成膜的各项指标性能下降。

3.3 TiO2对膜的抗菌性菌性的影响

经过单膜与复合膜的对比，在添加TiO2后培养基醋酸纤维素/ TiO2膜周围出现抑菌圈。这说明了CA/TiO2复合膜有一定的杀菌效果。

结论

纳米TiO2粒子的加入只起到了物理共混的作用，并未发生化学反应；使膜的孔隙率提高，膜表面微孔数增多，有效的改善了膜的结构。当纳米TiO2含量为2%時，膜的性能明显得到改善，亲水性明显增强纯水通量以及截留率都有所提高。添加后可以明显提高膜的抗菌、抗污染性能。

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