“膜”法:丑小鴨(污水)變白天鵝(清水)
——納濾膜制備及其分離性能測試科普

丁金成,周舟,左夢荷,陳浩

(鹽城師范學院 化學與環境工程學院,江蘇 鹽城 224007)

1 引言

1.1 實驗背景

黨的二十大報告指出要推進美麗中國建設,統籌水資源、水環境、水生態治理,這勢必會給廢水的排放和處理提出更高要求。相較于傳統的水處理技術例如物理、化學和生物法,無法滿足需求且容易產生二次污染,以納濾為代表的膜分離技術憑借其高效、節能和環境友好等特點正受到人們廣泛關注。目前納濾技術已經廣泛應用在脫鹽、污水處理、飲用水凈化和食品醫藥等領域[1-3]。那么納濾技術是如何實現其對各類污水的分離效果呢?例如:如何讓直飲水機里的水能夠直接飲用?如何讓印染廢水重新變的澄清?海島的居民又是如何實現海水淡化獲得淡水?解決這些問題的關鍵在于納濾膜。納濾膜看上去像紙一樣,但從微觀角度我們發現其是一種具有納米級微孔結構(孔徑約為0.5～2 nm)的荷電分離膜(通常帶負電性)[4]。也歸因于納濾膜上述的結構特點,才賦予納濾膜分離技術優異的分離性能。如此神奇的納濾膜,勢必會引起中小學生和大眾的興趣,同時納濾膜分離技術也是實現國家綠色發展和水生態治理的關鍵,因此我們通過簡單實驗演示納濾膜及其分離性能測試為大眾進行科普很有必要性。

1.2 實驗目的

本次科普實驗的目的簡單歸納為以下幾點:

1)讓中小學生及普通大眾認識一種前沿分離技術-納濾膜分離技術;

2)借助直觀實驗演示讓中小學生及普通大眾了解納濾膜制備的基本方法和基本分離原理;

3)通過展示納濾膜對不同種類的染料及硫酸鈉鹽的分離效果,傳遞和踐行綠色發展理念。

1.3 實驗內容及意義

本科普實驗主要包含如下兩個部分:

1)納濾膜的制備:采用當下最成熟的界面聚合法進行納濾膜的制備。選擇哌嗪作為水相單體,均苯三甲酰氯作為油相單體,聚砜超濾膜作為基底膜。通過簡單的“泡一泡”,“晾一晾”和“烘一烘”,來進行納濾膜制備展示。

2)納濾膜分離測試:為了直觀展示納濾膜的分離性能,我們選擇剛果紅、甲基藍、活性黑以及維多利亞藍等四種常見染料來模擬印染廢水,選擇硫酸鈉鹽水溶液模擬含鹽廢水,來進行納濾膜的分離性能展示。

通過直觀的實驗展示并輔以機理解讀,讓中小學生和普通大眾對納濾膜及納濾技術有了初步的了解,明白了納濾膜分離技術在污水處理上發揮的巨大作用。有助于激發中小學生對前沿技術的學習興趣,同時也有助于加深大眾對 “綠水青山就是金山銀山”和“綠色發展”等重要理念的理解。

2 實驗部分

2.1 實驗原理

2.1.1 納濾膜的制備方法及原理

納濾膜是納濾技術的關鍵組成部分,當下納濾膜通常采用界面聚合法進行制備[5]。如圖1所示為典型的界面聚合示意圖。簡單來說,界面聚合法是基于 Morgan的相界面聚合原理,使兩種反應物分別溶于互不相溶的兩相中,在支撐膜表面發生界面聚合反應,復合上一層超薄選擇層,這層超薄膜決定了納濾膜的最終性能[6-7],如圖2為納濾膜結構示意圖。為方便科普,本實驗我們選擇哌嗪作為水相單體,溶劑為水,得到水相溶液,選擇均苯三甲酰氯作為油相單體,溶劑為環己烷,得到油相溶液,基底膜選擇商品化的聚砜超濾膜。

圖1 界面聚合過程示意圖

圖2 納濾膜結構示意圖

2.1.2 納濾膜分離原理

在壓力推動下,待分離料液透過納濾膜,完成膜分離過程。從微觀角度來看,納濾膜表面呈現致密結構,其孔徑僅為0.5 ～ 2 nm,截留相對分子質量為200～1 000 Da,且表面帶有負電荷,能夠有效截留二價和高價陰離子。因此,如圖3所示,對于納濾膜的分離機理可總結為:孔徑篩分和靜電排斥的協同作用。

圖3 納濾膜分離原理示意圖

2.2 試劑與材料

試劑:哌嗪(分析純AR,國藥集團化學試劑有限公司)、1,3,5-苯三甲酰氯(分析純AR,國藥集團化學試劑有限公司)、環己烷(分析純AR,國藥集團化學試劑有限公司)、無水硫酸鈉(分析純AR,國藥集團化學試劑有限公司)、甲基藍、剛果紅、活性黑以及維多利亞藍(分析純AR,阿拉丁試劑有限公司)。

材料:聚砜超濾膜(截留相對分子質量:20 000Da,三達膜分離技術有限公司)

2.3 儀器和表征方法

實驗儀器:電導率儀(FE-80,梅特勒托利)、紫外可見分光光度(UV-2600,島津)和自行設計的膜性能測試儀(流程圖及實物圖如圖4所示)、鼓風烘箱、超聲儀。表征方法:將納濾膜分離硫酸鈉鹽水溶液的料液和膜濾出液,用電導率儀進行測試。將納濾膜分離各種染料溶液的料液和膜濾出液,用紫外-可見分光光度計進行吸收光譜測定,其中剛果紅、甲基藍、活性黑以及維多利亞藍的最大紫外吸收峰波長分別為:499,664,599,600 nm。

圖4 (a)測試裝置流程圖和(b)實物圖

2.4 實驗步驟及現象

2.4.1 實驗步驟

本科普實驗主要包含如下步驟:

1)納濾膜的制備過程如圖5所示,具體過程為:稱取0.3 g哌嗪試樣于潔凈的燒杯中,加入一定量去離子水,超聲溶解后得到質量分數為0.3%的哌嗪水相溶液,之后稱取0.15 g均苯三甲酰氯于另一潔凈燒杯中,加入一定量的環己烷溶劑,超聲溶解后配制得到質量分數為0.15%的均苯三甲酰氯油相溶液。剪取一張大小合適的聚砜超濾膜作為基底膜,首先將此基底膜浸泡到水相溶液中,記時5 min,泡好后取出,并在空氣中晾干,待膜表面無明顯水痕跡后,將此吸附水相單體膜再次浸泡到油相溶液中,記時1 min,反應結束后取出膜,并放置到溫度為60 ℃的烘箱中,烘干10 min,結束后取出便可得到納濾膜。此外,對于納濾膜的制備,我們簡單總結為:“泡一泡”,“晾一晾”和“烘一烘”。

圖5 納濾膜制備過程

2)納濾膜分離性能測試:①本次科普實驗我們選擇四種染料分別為剛果紅、甲基藍、活性黑和維多利亞藍,進行模擬納濾膜對印染廢水的處理;選擇硫酸鈉,進行模擬納濾膜對含鹽廢水的處理。首先進行染料溶液的配制:分別配制質量濃度為25,50,100,300 mg/L的剛果紅溶液;之后分別配制100 mg/L的甲基藍溶液、活性黑溶液、維多利亞藍溶液;最后配制質量濃度為1 g/L的硫酸鈉鹽水溶液。②將納濾膜裝載到膜性能測試儀的膜池中,將不同濃度剛果紅溶液以及甲基藍、活性黑、維多利亞藍和硫酸鈉溶液分別作為料液,調控儀器壓力為0.6 MPa,分別進行膜分離過程,并收集膜濾出液。

3)納濾膜性能表征:納濾膜對不同染料的分離性能表征,采用紫外分光光度計測試料液和膜濾出液的特征吸收值,并計算截留率;對于硫酸鈉鹽溶液的分離性能表征,采用電導率儀測試料液和濾出液電導率值,并計算截留率。

2.4.2 實驗現象

首先展示納濾膜對不同質量濃度剛果紅溶液(25,50,100和300 mg/L)的分離效果,結果如圖6所示。從圖6可以看出:憑借納濾膜致密結構以及荷電性,納濾膜對不同濃度的剛果紅都具有優異能,截留率都超過98%,濾出液都為無色且紫外光吸收接近0。說明憑借納濾膜獨特的孔結構和表面負荷電性能夠有效截留不同濃度的剛果紅溶液,也說明納濾膜同樣可以應對不同濃度的印染廢水。

圖6 納濾膜對不同濃度剛果紅染料分離效果以及紫外可見光光譜圖

緊接著我們對質量濃度相同(100 mg/L)但種類不同(剛果紅溶液、甲基藍、活性黑、維多利亞藍)的染料溶液進行納濾膜分離測試,膜分離效果如圖7所示。從圖7可以看出:納濾膜對不同種類染料同樣都具有優異的分離性能,截留率都超過96%,濾出液都為無色且紫外光吸收接近0。也說明納濾膜能夠有效應對不同類型的印染廢水。

圖7 納濾膜對不同種類染料分離效果以及紫外可見光光譜圖

最后我們分析了納濾膜對硫酸鈉鹽溶液的分離效果,通過電導率儀測試料液和濾出液的電導率如圖8所示分別為:1 482 μS/cm 和88.79 μS/cm,計算截留率為94%。說明借助納濾膜獨特的結構,尤其表面荷負電性,能夠有效截留二價陰離子鹽,適用于海水淡化。

圖8 硫酸鈉鹽溶液料液和納濾膜濾出液電導率結果

現將納濾膜對不同染料和硫酸鈉鹽溶液的分離性能總結如下表1所示。通過這些直觀展示,讓大眾對納濾膜及其性能有了更加直觀的認識,也實現了對前沿技術的科普。

表1 納濾膜分離性能總結

3 科普展示和互動方案

3.1 展示條件及對象

科普應該來源于生活,并作用于生活。納濾膜分離技術已經廣泛應用到我們生活的方方面面,例如:家用凈水器等。但其中的奧秘值得去解讀,也能讓人們進一步體會材料之美。展示地點:中小學教室、實驗室或科技館、廣場、公園等均可作為展示地點。實驗試劑較為安全,測試裝置簡易,方便移動,安全可靠無污染,所以可適用于絕大多數教學或展示場所。

展示對象:中小學生,低年級大學本科生。

中小學階段人群:對科學知識有初步了解,對有顏色變化的化學過程感興趣,但不具備了解化學原理的能力,因此側重讓他們體驗制作納濾膜并進行實操納濾膜的染料分離過程,感受化學之美與實驗之趣。同時也激發他們對前沿技術的學習興趣,有助于后續基礎知識的學習與聯動。

低年級大學本科生:這個階段剛開始接觸專業知識,對于前沿技術興趣濃,但又局限于知識面過窄,無法更進一步。因此側重對相關機理進行科普,比如納濾膜的制備方法和分離機理。有助于后續專業知識的學習以及提升他們后續參與科學研究的能動性。展示形式:演示實驗+志愿者講解+現場互動。

3.2 互動展示方案

提供超濾膜和納濾膜和配制好的染料溶液,在校園開展科普活動,邀請學生們在科普者的帶領下學習納濾膜分離原理,進行相關的染料分離過程。方案如下:

1)通過視頻和PPT形式對納濾技術背景、納濾膜、納濾膜制備方法以及相關分離測試裝置進行簡單介紹和說明。

2)現場展示相關的納濾膜和實驗測試裝置。

3)邀請學生進行納濾膜的裝載,并進行染料分離測試,觀察透過液顏色,并進行對比。

4)現場提問,解答學生的問題。

5)也可以把相關視頻發布在媒體上,讓學生在課外享受到化學的趣味,同時幫助學生了解納濾膜分離的現象及原理,感受化學之美,激發學生對于化學的學習興趣。

通過本次科普,同學們都表現出濃厚的興趣,現場氛圍活躍,我們也積極回答同學們所提出的問題。也通過讓同學們自己動手組裝納濾膜測試裝置,近距離觀察模擬的染料污水的處理過程,極大激發了他們對前沿科技的研究興趣。相關現場照片如圖9所示。

圖9 科普現場照片

4 結語

納濾膜分離技術作為一種前沿分離技術,其如何實現分離?以此問題為出發點,我們通過簡單的方法(“泡一泡”,“晾一晾”和“烘一烘”)展示納濾膜的制備以及對模擬廢水的分離效果,為大眾科普納濾膜分離的相關知識。本實驗藥品綠色、實驗裝置簡單,不涉及危險操作,參與者可以親手參與納濾膜的制備以及膜分離的全過程。通過原理解讀以及直觀展示納濾膜對模擬的印染廢水以及含鹽污水的分離效果,一方面激發大眾對前沿技術的學習興趣,另一方面有助于大眾對綠色發展、節能環保等理念的理解。

5 實驗特色與創新點

1)體現綠色化學,所選材料無毒無害,可循環使用,實驗過程安全。

2)膜分離效果明顯富有趣味性,結果具有吸引力,與生活現象聯系緊密。

3)有助于培養學生動手能力與實踐創新能力,有很好的科普教育意義。