具有图灵结构的聚苯并咪唑耐溶剂纳滤膜的制备及性能

doi:10.7503/cjcu20220705

摘要/Abstract

摘要：

以聚苯并咪唑(PBI)为原料, 采用配位诱导相转化法制备具有图灵结构的纳滤膜. 通过改变聚合物的含量调控图灵膜的形貌, 探究图灵膜的纳滤性能, 并对图灵膜在有机溶剂中的稳定性进行测试. 使用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)及傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)等对制备的图灵膜的表面形貌及结构进行表征. 首次将配位诱导相转化法制备的图灵膜应用于耐溶剂纳滤中. 研究结果表明: 制备的图灵膜具有优异的纳滤性能和溶剂稳定性, 该膜对玫瑰红(RB)、溴百里香酚蓝(BTB)及亚甲基蓝(MB)的截留率均可达到99%以上, 在强极性溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中过滤时间长达40 h时, 对RB的截留率仍达到86.66%以上, 在耐溶剂纳滤(SRNF)中具有良好的应用前景.

关键词: 图灵结构, 聚苯并咪唑, 耐溶剂纳滤

Abstract:

Polybenzimidazole（PBI） was used as raw material to prepare nanofiltration membrane with turing structure by coordination induced phase inversion method in this paper. The morphology of turing membrane was controlled by changing the content of polymer. The nanofiltration performance of turing membrane was investigated and the stability of turing membrane in organic solvents was tested. The surface morphology and structure of the prepared Turing films were characterized by optical microscopy（OM）， scanning electron microscopy（SEM） and Fourier transform infrared spectroscopy（FTIR）. For the first time， the Turing membrane prepared by coordination induced phase inversion method was used in solvent resistant nanofiltration. The results showed that the turing membrane exhibited excellent nanofiltration performance and good solvent resistance. The rejection of rose red（RB）， bromothymol blue（BTB） and methylene blue（MB） could reach more than 99%. In the strong polar solvent N，N- dimethylformamide（DMF）， when the filtration time was up to 40 h， the retention rate of RB was still above 86.66%， showing a good application prospect in solvent resistant nanofiltration.

Key words: Turing structure, Polybenzimidazole, Solvent-resistant nanofiltration

中图分类号:

O635

TrendMD:

尚尔慧, 陈慧龄, 贺苗苗, 周昕来, 陈冬菊. 具有图灵结构的聚苯并咪唑耐溶剂纳滤膜的制备及性能. 高等学校化学学报, 2023, 44(6): 20220705.

SHANG Erhui, CHEN Huiling, HE Miaomiao, ZHOU Xinlai, CHEN Dongju. Preparation and Performance of Turing Structured Polybenzimidazole Solvent-resistant Nanofiltration Membrane. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(6): 20220705.

图/表 11

Table 1 Parameters of the solvents

Solvent	Molar weight	Surface tension/（mN·m^-1）	Viscosity/（mPa·s）	Density/（g·cm^-3）
IPA	60.0	21.0	2.00	0.785
Ethanol	46.0	22.0	1.10	0.790
Acetone	58.1	23.3	0.46	0.791
THF	72.1	28.8	0.55	0.890
DMF	73.1	25.8	0.80	0.947
DMAc	87.1	25.3	0.92	0.937
NMP	99.1	33.7	1.65	1.020

Table 2 Structure, charge and molar weight of the dyes

Dye	Charge	Molar weight
Rose Bengale（RB）	-	1017.0
Bromothymol blue（BTB）	0	624.39
Methylene Blue（MB）	+	374.00

Fig.1 FTIR spectra of the membranesMass fraction of PBI（%）：（A） 12.0；（B） 15.0；（C） 17.5.

Fig.2 Optical morphologies of turing membranes surfaces（A） T-12.0-0.5；（B） T-15.0-0.5；（C） T-17.5-0.5.

Fig.3 Surface morphologies(A—C) and cross⁃sectional with different nanofiltrations(D—I) of PBI nanofiltration membranes M⁃12.0(A, D, G), M⁃15.0(B, E, H),M⁃17.5(C, F, I)

Fig.4 Surface morphologies(A—C) and cross⁃sectional with different nanofiltrations(D—I) of turing membranes T⁃12.0⁃0.5(A, D, G), T⁃15.0⁃0.5(B, E, H) and T⁃17.5⁃0.5(C, F, I)

Fig.5 Permeance of pure solvents through pristine membranes(A) and turing membranes(B)

Fig.6 Rejection rates(A, C, E) and permeance(B, D, F) of the pristine membranes and the turing membranes for RB(A, B), BTB(C, D) and MB(E, F)

Fig.7 Digital photographs of RB(a—d), BTB(e—h) and MB(i—l) in IPA before(a, e, i) and after filtration by T⁃12.0⁃0.5(b, f, j), T⁃15.0⁃0.5(c, g, k) and T⁃17.5⁃0.5(d, h, l)

Table 3 Stability of membranes in different solvents

Membrane	IPA	Ethanol	Acetone	THF	DMF	DMAc	NMP
M⁃12.0	-	-	-	+	+	+	+
T⁃12.0⁃0.5	-	-	-	-	-	+	+
M⁃15.0	-	-	-	$×$	+	+	+
T⁃15.0⁃0.5	-	-	-	-	-	-	$×$
M⁃17.5	-	-	-	$×$	+	+	+
M⁃17.5⁃0.5	-	-	-	-	-	-	$×$

Table 3 Stability of membranes in different solvents

Membrane	IPA	Ethanol	Acetone	THF	DMF	DMAc	NMP
M⁃12.0	-	-	-	+	+	+	+
T⁃12.0⁃0.5	-	-	-	-	-	+	+
M⁃15.0	-	-	-	$×$	+	+	+
T⁃15.0⁃0.5	-	-	-	-	-	-	$×$
M⁃17.5	-	-	-	$×$	+	+	+
M⁃17.5⁃0.5	-	-	-	-	-	-	$×$

Fig.8 Separation performance of turing membrane T⁃15.0⁃0.5 for RB in DMF solvent changes with time

参考文献 40

1	Liang B.， He X.， Hou J. J.， Li L. S.， Tang Z. Y.， Adv. Mater.， 2019， 31（45）， 1806090
2	Haindl S.， Stark J.， Dippel J.， Handt S.， Reiche A.， Chem. Ing. Tech.， 2020， 92（6）， 746—758
3	Pansare V. J.， Tien D.， Thoniyot P.， Prud’homme R. K.， J. Membr. Sci.， 2017， 538， 41—49
4	Kurihara M.， Membranes， 2021， 11（4）， 243
5	Mertens M.， Goethem C. V.， Thijs M.， Koeckelberghs G.， Vankelecom I. F. J.， J. Membr. Sci.， 2018， 566， 223—230
6	Feng Y. N.， Weber M.， Maletzko C.， Chung T. S.， J. Membr. Sci.， 2018， 549， 550—558
7	Marchetti P.， Jimenez S. M. F.， Szekely G.， Livingston A. G.， Chem. Rev.， 2014， 114（21）， 10735—10806
8	Fei F.， Le P. H. A.， Blanford C. F.， Szekely G.， ACS Appl. Polym. Mater.， 2019， 1（3）， 452—460
9	Abdelkader B. A.， Antar M. A.， Khan Z.， Arab. J. Sci. Eng.， 2018， 43， 4413—4432
10	Evenepoel N.， Wen S. F.， Tilahun T. M.， Vander B. B.， J. Appl. Polym. Sci.， 2018， 135（28）， 46494
11	Guan K. C.， Ushio K.， Nakagawa K.， Shintani T.， Yoshioka T.， Matsuoka A.， Kamio E.， Jin W. Q.， Matsuyama H.， J. Membr. Sci.， 2022， 660， 120861
12	Farahani M. H. D. A.， Chung T. S.， Sep. Purif. Technol.， 2019， 209， 182—192
13	Tan Z.， Chen S. F.， Peng X. S.， Zhang L.， Gao C. J.， Science， 2018， 360（6388）， 518—521
14	Turing A. M.， Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci.， 1952， 237（641）， 37—72
15	Gierer A.， Meinhardt H.， Kybernetik， 1972， 12， 30—39
16	Kondo S.， Miura T.， Science， 2010， 329（5999）， 1616—1620
17	Wu J. E.， Yuan C. G.， Li T. Y.， Yuan Z. Z.， Zhang H. M.， Li X. F.， J. Am. Chem. Soc.， 2021， 143（33）， 13135—13144
18	Qiao L.， Dai Q.， Zhang H. M.， Li X. F.， Cell Rep. Phys. Sci.， 2021， 2（3）， 100361
19	Song N.， Xie X.， Chen D.， Li G. F.， Dong H. Z.， Yu L. Y.， J. Membr. Sci.， 2021， 621， 118985
20	Jiao C. L.， Song X. J.， Zhang X. Q.， Sun L. X.， Jiang H. Q.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2021， 13（15）， 18380—18388
21	Shen K.， Li P. Y.， Zhang T. H.， Wang X. F.， J. Membr. Sci.， 2020， 607， 118153
22	Dai H.， Zhang H.， Zhong H.， Jin H.， Li X.， Xiao S.， Mai Z.， Fuel Cells， 2010， 10（5）， 754—761
23	Ding W. D.， Zhuo H. W.， Bao M. T.， Li Y. M.， Chem. Eng. J.， 2017， 330， 337—344
24	Ni J. P.， Hu M. S.， Liu D.， Xie H. X.， Xiang X. Z.， Wang L.， J. Mater. Chem. C， 2016， 4（21）， 4814—4821
25	Chen D. J.， Yu S. S.， Yang M.， Li D. D.， Li X. F.， RSC Adv.， 2016， 6， 16925—16932
26	Lengyel I.， Epstein I. R.， Science， 1991， 251（4994）， 650—652
27	See⁃Toh Y. H.， Ferreira F. C.， Livingston A. G.， Desalination， 2006， 199（1—3）， 242—244
28	Zolfaghari A.， Mousavi S. A.， Bozarjomehri R. B.， Bakhtiari F.， J. Membr. Sci.， 2018， 563， 813—819
29	Qiao L.， Zhang H. M.， Lu W. J.， Xiao C. H.， Fu Q.， Li X. F.， Vankelecom I. F. J.， Nano Energy， 2018， 54， 73—81
30	Rasool M. A.， Vankelecom I. F. J.， Membranes， 2021， 11（6）， 418
31	Li Z. L.， Zhang Y. Z.， Li. H.， J. Tianjin University Tech.， 2008， 121（4）， 12—15
	李振雷，张玉忠，李泓. 天津工业大学学报， 2008， 121（4）， 12—15
32	Shui X. R.， Li J. Q.， Feng W. L.， Fang C. J.， Zhu L. P.， Membr. Sci. Tech.， 2021， 41（6）， 192—201
	水雪荣，李佳骐，冯炜林，方传杰，朱利平. 膜科学与技术， 2021， 41（6）， 192—201
33	Emamirad M. H.， Javadpour S.， J. Environ. Health. Sci. Engineer.， 2020， 18， 495—504
34	Chen D. J.， Yan C.， Li X. N.， Liu L.， Wu D. N.， Li X. F.， Sep. Purif. Technol.， 2019， 224（1）， 15—22
35	Sun Y. X.， Zhou S. Y.， Qin G. R.， Guo J.， Zhang Q. F.， Li S. H.， Zhang S. B.， J. Membr. Sci.， 2021， 620（15）， 118899
36	Fu W. M.， Zhang W.， Chen H. N.， Li S. L.， Shi W. X.， Hu Y. X.， J. Mater. Chem. A， 2021， 9（11）， 7180—7189
37	He P. P.， Zhao S.， Mao C. Y.， Wang Y.， Ma G. Q.， Wang J.， Wang J. X.， Chem. Eng. J.， 2021， 420， 129338
38	Law Y. N.， Abdul W. M.， Ching Y. N.， Adv. Colloid Interface Sci.， 2013， 197/198， 85—107
39	Zhao P. J.， Li W.， Water Purif. Tech.， 2020， 39（2）， 118—124
	赵苹菊，李伟. 净水技术， 2020， 39（2）， 118—124
40	Shon H. K.， Phuntsho S.， Chaudhary D. S.， Vigneswaran S.， Cho J.， Drink. Water Eng. Sci.， 2013， 6（1）， 47—53

[1]	曹凯悦, 彭金武, 李宏斌, 石埕荧, 王鹏, 刘佰军. 基于聚苯并咪唑/超支化聚合物的交联共混体系的高温质子交换膜[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 2049.
[2]	梁敏慧, 王鹏, 李宏斌, 李天洋, 曹凯悦, 彭金武, 刘振超, 刘佰军. 基于半互穿聚合物网络的高温质子交换膜的制备[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(12): 2845.
[3]	宋西鹏, 刘金宇, 王丽华, 韩旭彤, 黄庆林. 聚苯并咪唑/聚乙烯吡咯烷酮复合质子交换膜的制备及钒液流电池性能[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(7): 1543.
[4]	赵彩秀, 杨溢, 刘一婷, 姜影, 袁芳, 王睿, 陈冬菊. 高通量聚苯并咪唑纳滤膜的结构调控及性能[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(4): 785.
[5]	徐燕燕, 于书平, 韩克飞, 于景华, 朱红, 汪中明. 新型聚苯并咪唑树脂的微波合成及质子交换膜的性能[J]. 高等学校化学学报, 2013, 34(6): 1547.
[6]	赵晶, 盛丽, 徐宏杰, 房建华, 印杰. 新型磺化聚苯并咪唑的合成及性能[J]. 高等学校化学学报, 2012, 33(03): 645.
[7]	盛丽, 徐宏杰, 房建华, 印杰. 可溶性共聚型聚苯并咪唑的合成及性能[J]. 高等学校化学学报, 2010, 31(7): 1461.
[8]	何荣桓李庆峰 BjerrumNielsJ.. 磷酸掺杂的ab-PBI膜及其在高温质子交换膜燃料电池中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2005, 26(12): 2302.
[9]	何荣桓, 李庆峰, Bjerrum Niels J.. 磷酸掺杂的ab-PBI膜及其在高温质子交换膜燃料电池中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2005, 26(12): 2302.
[10]	卿胜波, 黄卫, 颜德岳. 耐高温磺化聚苯并咪唑的合成与表征[J]. 高等学校化学学报, 2005, 26(11): 2145.