添加劑對醋酸纖維素膜結構和性能的影響

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，通過相轉化法制備了醋酸纖維素（CA）/納米TiO2復合超濾膜。用掃描電鏡SEM觀察了制備的CA及CA/TiO2復合超濾膜的表面結構，討論了納米TiO2的加入對膜的孔隙率、水通量、截留率的影響，結果表明：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。

關鍵詞：醋酸纖維素；復合膜；納米二氧化鈦

中圖分類號：TQ028.8 文獻標識碼：A

由于醋酸纖維素造價低廉、來源廣泛、親水性好、制膜過程簡單、成膜性能好等特點，所以通常用來制備有機膜。但是CA膜存在抗壓性、抗菌性能差等缺點，較大的限制了CA膜的應用范圍。所以選取無機納米粒子TiO2作為添加劑。TiO2擁有良好的光催化效果，能夠分解有機化學物質和殺死細菌，且納米TiO2添加到有機聚合膜中會增加膜強度、提高水通量、加強膜的親水性。

1 實驗部分

1.1 主要試劑

醋酸纖維素，化學純，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數控超聲波清洗器，HH-2數顯恒溫水浴鍋，81-2恒溫磁力攪拌器。

1.2 復合膜的制備

分別稱一定質量的CA及一定質量比的CA和納米TiO2，于250ml燒杯中；室溫下開啟磁力攪拌器進行低速攪拌，待其完全溶解后停止攪拌，超聲分散1小時后得到均勻分散的鑄膜液，靜止放置進行脫泡。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 膜的表征及性能測試

2.1 膜表面形態分析

采用日本日立公司SU-1500型號掃描電子顯微鏡，來觀察樣品表面形貌。

2.2 孔隙率的計算

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，以下試計算孔隙率：

2.3 純水通量的測試

水通量即純水透過率，指在一定流速、溫度、壓力下，單位時間，單位膜面積超濾膜的純水透過量。用公式計算：

J=Q/At

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

2.4 截留率的測試

截留率為膜截留特定溶質占溶液總特定溶質的比率。用來表征膜的分離能力。聚乙二醇與Dragendoff試劑可以生成橘紅色的絡合物，用分光光度計測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，使其通過復合膜，測試過濾前后聚乙二醇溶液濃度變化，用公式計算出截留率：

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

3 結果與討論

3.1 掃描電鏡分析

在掃描電鏡下觀察發現，加入TiO2對膜的結構有很大影響，（a）中未完全溶解且表面不光滑，其未溶解的白色顆?？赡苁荂A，膜表面雖有孔形成，但大小不一且分散不均勻，但加入TiO2后，微孔數明顯增多且分散較為均勻，主要因為孔的形成主要依賴于溶劑與非溶劑之間轉化，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換變慢，從而孔數增多 。

3.2 孔隙率的測定

孔隙率越大，膜的滲透性能越好，水通量越高，根據膜孔隙率的計算：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%?？紫堵实脑黾?，微孔數增多，孔隙分布變窄，膜的親水性也會增強，但是過高的TiO2含量，會產生嚴重的納米顆粒團聚現象，而造成膜的各項指標性能下降。

3.3 TiO2對膜的抗菌性菌性的影響

經過單膜與復合膜的對比，在添加TiO2后培養基醋酸纖維素/ TiO2膜周圍出現抑菌圈。這說明了CA/TiO2復合膜有一定的殺菌效果。

結論

納米TiO2粒子的加入只起到了物理共混的作用，并未發生化學反應；使膜的孔隙率提高，膜表面微孔數增多，有效的改善了膜的結構。當納米TiO2含量為2%時，膜的性能明顯得到改善，親水性明顯增強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

[1]汪錳，王湛，李正雄. 膜材料及其制備[M].北京：化學工業出版社，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，鄭業燦. 溶膠凝膠法制備磺化聚砜/二氧化鈦超濾膜[J].塑料工業，2011，39（06）：91-94.

[4] 王家芳，章文貢.溶膠—凝膠法合成有機—無機雜化膜材料進展.—1.組分間以化學鍵力作用的有機—無機雜化材料[J].高分子通報，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].應用化工，2011，40（06）：969-974.