[doc] 用均匀实验设计法优化磺化聚醚砜超滤膜制膜工艺

[doc] 用均匀实验 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 法优化磺化聚醚砜超滤膜制膜工艺 用均匀实验设计法优化磺化聚醚砜超滤膜 制膜工艺 第28卷第3期 2008年6月 膜科学与技术 M匮MBRANESCIENCEANDTECHN0L0GY Vlo1.28No.3 Jun.2008 文章编号:1007—8924(2008)03—0054—05 用均匀实验设计法优化磺化聚醚砜超滤膜制膜工艺 谭翎燕,张浩勤,刘金盾 (郑州大学化工学院,郑州450001) 摘要:采用磺化聚醚砜为膜材料,用L—S相转化法制备磺化聚醚砜超滤膜,并通过均匀试 验设计,系统研究各因素对膜性能的影响,优化制膜工艺,找出回归方程和最佳工艺条件.结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明:根据最优 配方 学校职工宿舍分配方案某公司股权分配方案中药治疗痤疮学校教师宿舍分配方案医生绩效二次分配方案 所制备的磺化聚醚砜膜的水通量为90.1L/(m2?h),对聚乙烯醇的截留率 达96.7%. 关键词:超滤;磺化聚醚砜;制膜工艺;均匀实验设计 中图分类号:TQ028.8文献标识码:A 超滤技术应用范围的扩大,对超滤膜的制膜材 料,制备工艺提出了更高的要求.对膜材料的研究, 主要是通过对聚合物材料的合成和改性,以适应特 定分离要求.对于成膜工艺条件的研究,就是要摸索 出聚合物含量,溶剂种类,添加剂种类及配比,蒸发 时间,凝胶条件等因素对膜性能的影响规律. 聚醚砜(PES)分子具有相当的稳定性,表现出 优异的机械性能,加之具有耐热,抗氧化,抗溶剂等 优良性能,近年来越来越广泛地应用于水处理,反渗 透等方面_1叫J.同时聚醚砜有着十分优异的生物相 容性,逐渐受到医疗界的重视,有着广阔发展前 景[51.但聚醚砜亲水性差,阻碍了它在更多领域的 应用.为此,许多研究工作者对聚醚砜材料进行改 性,以提高它的亲水性.磺化改性就是一种有效的方 法_6I7J.实验表明,磺化聚醚砜(SPES)是一种高性能 的功能高分子材料,采用此材料制得的膜在透水性, 耐压密性,抗污染性,物化稳定性等方面具有更高的 性能[,.黄嘉等_10_用实验证实了磺化聚醚砜的透 过能力,分离能力及离子交换能力均优于聚醚砜 材料. 本文采用自制的磺化聚醚砜为膜材料,制备了 SPES超滤膜,测试了膜性能,并用均匀试验设计 法,对制膜工艺进行了优化. 1实验部分 1.1实验材料及仪器 聚醚砜,长春吉大高新材料有限公司;氯磺酸, 上海亭新试剂厂;N,N一二甲基乙酰胺(DI儿), 北京亚太精细化工公司;聚乙烯吡咯烷酮(PVP),汕 头市西陇化工厂;丁酮,天津华东试剂厂;磷酸,开封 化学试剂厂;聚乙烯醇(PVA88000),湘中地质研究 所.除聚醚砜为工业品外,以上试剂均为分析纯.静 态杯式膜性能评价仪,有效膜面积A=35.24crn2, 自制;722S型分光光度计,上海精密科学仪器有限 公司. 1.2磺化聚醚砜的合成 将烘干的聚醚砜放人三口烧瓶,加入浓硫酸在 搅拌下使其完全溶解形成均相体系.缓慢滴加氯磺 酸,反应一段时间后,将混合液体缓慢倒入冰水中, 静置24h,水洗,用5%NaOH溶液浸泡转型,再用 水洗至中性,得到所需要的膜材料SPES.以N, N一二甲基甲酰胺作溶剂,酚酞作指示剂,用酸碱滴 定法【测得磺化度为7%. 1.3磺化聚醚砜超滤膜的制备 以SPES为膜材料,DI儿为溶剂,PVP,丁酮, 磷酸为添加剂,按一定配方混合,充分溶解制得均一 收稿日期:2006—12—07;修改稿收到日期:2007—03—06 项目基金:国家自然科学基金资助项目(20676125) 作者简介:谭翎燕(1970一),女,湖南炎陵人,讲师,博士生,研究方向为膜分离科学与技术,电话:0371—67763835, E—mail:Tanlingyan@ZZU.edu.cn 第3期谭翎燕等:用均匀实验设计法优化磺化聚醚砜超滤膜制膜工艺’55’ 稳定的铸膜液.再将其过滤,并真空脱泡.在25?, 相对湿度40%,50%情况下,在玻璃板上刮膜,蒸 发一定时间后,浸人凝固浴(5%DMAC溶液)中.浸 泡一定时间后取出,湿法保存,待测. 1.4膜性能测试 1)水通量:测试前用0.2MPa将膜预压30 min,然后在室温,0.1MPa下,测定膜的透水量,按 下式计算水通量Jv[L/(m2?h)]: J=透过水的体积/(有效膜面积×时间) 2)截留率:在0.2MPa下用500rng/L聚乙烯 醇作为截留物质来确定截留率.过滤前后聚乙烯醇 的浓度通过722S分光光度计测试其吸光度来确定, 按下式计算截留率尺: R=(1一透过液浓度/原料液浓度)×100% 1.气瓶;2.截止阀;3.减压阀;4.稳压阀;5.超滤杯; 6.进料口;7.放空;8.出料口 图1膜性能表征装置图 Fig.1Schemeoftheexperimentalapparatus forpreparingPSESmembrane 2结果与讨论 2.1均匀实验设计 均匀实验考察的主要影响因素有铸膜液中磺化 聚醚砜浓度,聚乙烯毗咯烷酮浓度,丁酮浓度,磷酸 浓度以及蒸发时间t.对上述每个因素各取5个水 平,选用U10(10)均匀设计表[u]安排试验.均匀 实验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 及相应的实验结果见表1. 2.2实验结果的回归分析 本文采用SPSS软件对均匀实验结果进行处 理.如果考察个因素,拟合方程采用二次型形式, 目标函数为: J=bo+?bix??bij.Tcixji=1i=1J:1 式中,b0为常数项;为一次项系数;,为二次项系数. 表l均匀设计方案和实验结果 Table1Theuniformdesignschemeandresults inpreparingSPESmembrane 用逐步回归法(backword)进行数学拟合,回归 分析得到数学模型. 2.2.1以水通量为目标的回归方程 以水通量为目标,用sPSS软件进行数据处理, 数学模型拟合结果如表2,表4所示. 表2水通量数据处理的模型一般统计量 Table2ModelsummaryinSPSSforthefluxofmembrane 表3水通量数据处理的方差分析(ANOVA) Table3ANOVAinSPSSforthefluxofmembrane 表4水通量数据处理的回归系数分析 Table4CoefficientsinSPSSforthefluxofmembrane 注:X1一SPES质量分数,%;X2一PVP质量分数,%;X4一 磷酸质量分数,%;X5一蒸发时间,s;X=Xi’xJ. ? 56?膜科学与技术第28卷 表2显示模型的相关系数R:1.000,表3表明 F检验的显着性水平值为0.001.这些都表明该模 型整体回归效果很好. 表4表明T检验的显着性水平值较小,这表明 模型的回归系数是显着的.表4表明各因素之间存 在着交互作用,由 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 回归系数可以得到各影响因 素的大小顺序为:5>15>z1l>4>44>z24> 22.由非标准回归系数可得水通量的回归方程为: J:一l1.605X4+0.637X5—0.0664XI】一 0.316X22+1.758X44—0.0283X15+0.772X24+ 124.207 2.2.2以截留率为目标的回归方程 以截留率目标,用SPSS软件进行数据处理,数 学模型拟合结果如表5,表7所示. 表5截留率数据处理的模型一般统计量 Table5ModelsummaryinSPSSforthe rejectionofmembrane 表6截留率数据处理的方差分析 Table6ANOVAinSPSSfortherejectionofmembrane 表7截留率数据处理的回归系数分析 Table7CoefficientsinSPSSforthe rejectionofmembrane 表5显示模型的相关系数R:0.986,表6表明 F检验的显着性水平值为0.020.这些都表明该模 型整体拟合效果显着. 由表7的非标准回归系数可知各影响因素的大 小顺序为:x24>X2>z55>l5>44>z1.并得出截 留率的回归方程为: R=92.458+0.005393X5+0.501X44— 0.22X】一0.000857X55—0.991X24+3.047X2 2.3单因素影响的模拟计算 为进一步地探讨各个显着因素的影响规律,本 文特固定其它因素,只改变目标因素,根据回归方程 进行了一系列模拟计算. 2.3.1SPES浓度对膜性能的影响 固定PVP质量分数4%,丁酮质量分数6%,磷 酸质量分数l%,蒸发时间30S,SPES质量百分数 在20%,28%的范围内变化,利用回归方程模拟计 算出相应的水通量和截留率,如图2所示. SPES质量分数/%. 图2SPES浓度对膜性能的影响 Fig.2TheeffectofSPESconcentrationsonthe performanceofSPESmembrane 由图2可知,随着SPES浓度的升高,水通量而 明显下降,截留率变化不大.这是由于随着铸膜液中 SPES浓度的增大,聚合物在沉淀点上浓度提高,使 得形成的超滤膜表面较为致密,影响水和溶剂的相 互扩散,造成相转化后的支撑层空隙率也下降,因此 膜的水通量明显下降.为得到较大的水通量,SPES 取为20%. 2.3.2PVP浓度对膜性能的影响 为考察有机添加剂PVP的影响,固定SPES质 量分数20%,丁酮质量分数6%,磷酸质量分数 4%,蒸发时间30s,PVP质量百分数在l%,5%间 变化,利用回归方程模拟计算出相应水通量和截留 率,如图3所示. 由图3可知,随着PVP浓度的增加,水通量急 剧上升,截留率急剧下降.这是由于PVP是水溶性 的致孑L剂,随着其浓度增大,膜的渗透性增强,水通 量增大,同时截留率下降,但其截留率仍在90%以 上.综合考虑,PVP取为3%. 2.3.3丁酮浓度对膜性能的影响 为考察有机添加剂丁酮的影响,固定SPES质 第3期谭翎燕等:用均匀实验设计法优化磺化聚醚砜超滤膜制膜工 艺.57? N 童? 图3PVP浓度对膜性能的影响 Fig.3TheeffectofPVPconcentrationsonthe performanceofSPESmembrane 量分数2O%,PVP质量分数3%,磷酸质量分数 4%,蒸发时间30S,丁酮在6%,8%间变化,利用 回归方程模拟计算出相应水通量和截留率,如图4. ‘ ‘g W(CH3COH5)/% 图4丁酮浓度对膜性能的影响 Fig.4TheeffectofMEKconcentrations ontheperformanceofSPESmembrane 由图4可以看出,在实验浓度范围内,丁酮对水 通量和截留率的影响不大. 2.3.4磷酸浓度对膜性能的影响 为考察无机添加剂磷酸的影响,固定SPES质 量分数20%,PVP质量分数3%,丁酮分数6%,蒸 发时间30S,磷酸质量百分数在2%,4%间变化, 利用回归方程模拟计算出相应水通量和截留率,如 图5所示. 由图5可知,随着磷酸浓度的升高,水通量先下 降后上升,截留率变化不大.这是因为磷酸浓度的增 加提高了铸膜液的粘稠性,改变了铸膜液粘度和相 分离动力学,形成大量多孑L的聚合物网络结构,使膜 表层形成较致密的孑L,导致水通量下降,水通量有一 最小值,但继续加人磷酸,磷酸的水合离子作用会削 弱高聚物分子链之间的相互作用,形成较疏松的网 络结构,水通量反而上升.所以磷酸取4%较好. w(H3PO41/% 图5磷酸浓度对膜性能的影响 Fig.5Theeffectofph~phoricacidconcentrations ontheperformanceofSPESmembrane 2.3.5蒸发时间对膜性能的影响 固定SPES质量分数20%,PVP质量分数3%, 丁酮质量分数6%,磷酸质量分数4%,蒸发时间在 3O,120S的范围内变化,利用回归方程模拟计算出 相应水通量和截留率,如图6所示. 图6蒸发时I司对膜性能的影响 Fig.6Theeffectoftheevaporationtime ontheperformanceofSPESmembrane 由图6可知,随着蒸发时间延长,水通量急剧增 大,截留率先增大后下降.这与PES膜的水通量随 蒸发时间的延长而降低的规律不同.原因在于引进 亲水基团的SPES膜在空气中的吸水性较强.随着 时间的延长,既存在溶剂挥发,又有磺化聚醚砜导致 的膜吸水.在30-~60S间,膜吸水使孑L径增大,水通 量有所增大,但此时主要是溶剂的挥发,暴露在空气 一 侧的表层中高聚物浓缩,孑L隙率减小,截留率升 高,在60S时达到最大.但时间超过60s,由于膜的 吸水量较大,甚至产生微相分离而沉淀,孑L径变大, 空隙率增加,导致水通量急剧增高,截留率急剧下 降.为得到高的截留率,蒸发时间选为60S. 2.4结果检验 为获得综合性能最佳的膜,我们要求最终膜的 ? 58?膜科学与技术第28卷 性能满足如下指标:对聚乙烯醇的截留率?95%,纯 水通量尽可能大.通过分析,最终确定的最优配方 为:SPES质量分数20%,PVP质量分数3%,丁酮 质量分数6%,磷酸质量分数4%,蒸发时间60S.采 用该配方制膜,所得到的磺化聚醚砜超滤膜水通量 为90.1L/(m2?h),对聚乙烯醇的截留率达96.7%. 实验结果与理论结果吻合良好. 3结论 1)根据回归方程进行单因素模拟计算,考察了 SPES浓度,PVP浓度,丁酮浓度,磷酸浓度和蒸发 时间对膜水通量和截留率的影响. 2)磺化聚醚砜超滤膜制备的优化配方为:SPES 质量分数20%,PVP质量分数3%,丁酮质量分数 6%,磷酸质量分数4%,蒸发时间60S.该膜水通量为 90.1L/(m2?h),对聚乙烯醇的截留率达96.7%. 参考文献 [1]董声雄,黄加乐.一种高通量小截留分子量超滤膜的研 制[J].福建化工,2001(4):19—21. 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Optimizationofthepreparingtechnologyofsulfonated polyethersulfoneultrafiltrationmembranebymeansof uniformexperimentdesign TANLingyan,ZHANGHaoqin,LUJindun (CollegeofChemicalEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450002,China) Abstract:Sulfonatedpolyethersulfone(SPES)ultrafiltrationmembranewassuccessfullypreparedbymeansof L—Sphase.inversionmethod.withSPESasmembranemateria1.Theeffectsofvariousfactorsupontheperfor- manceofthemembranewerestudiedbyuniformexperimentdesign.ThepreparedtechnologyofSPESultrafil- trationmembranewasoptimizedThemodelequationandoptima[technologicconditionwereacquiredbyme8ns ofregressanalysis.ItwasfoundthefluxoftheoptimumSPESmembranewas9 0.1L/(m?h)andtherejection toPwas96.7. Keywords:ultrafiltration;sulfonatedpolyethersulfone;preparingtechnolo gyofmembrane;uniformexperiment design