等離子體輝光放電接枝苯磺酸甜菜堿的制備及表征

0等離子體輝光放電法膜分離技術(shù)是利用膜特殊的分離性能，在壓力差、濃度差和電位差的作用下，從溶液中分離有機(jī)分子、無(wú)機(jī)離子、重金屬和其他特定物質(zhì)的技術(shù)。兩性離子聚合物是一類含有兩性離子基團(tuán)或陰陽(yáng)離子端基的聚合物,由于具有兩性親和性,所以能順利地接枝在離子交換膜表面,改善膜的性能。Ogieglo等本實(shí)驗(yàn)利用等離子體輝光放電技術(shù)將SBMA單體(圖1)接枝在以聚苯乙烯為基體的離子交換膜表面(圖2),提高離子交換膜的表面電位,同時(shí)借助SBMA的自聚作用,對(duì)膜表面的大孔進(jìn)行充分的封堵,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)反離子的阻擋,達(dá)到提高膜的選擇透過(guò)性的目的。研究了SBMA單體濃度、等離子體照射強(qiáng)度及反應(yīng)時(shí)間等條件的改變對(duì)膜改性效果的影響,并采用SEM、FTIR和電位滴定等測(cè)試方法考察膜結(jié)構(gòu)及性能的變化。1實(shí)驗(yàn)1.1子交換膜的表征改性原膜:IONSEP-HC-C陽(yáng)離子交換膜;SBMA:凍干粉,純度大于97%;甲醇:分析純;二苯甲酮:分析純;丙酮:分析純;硝酸銀:分析純。1.2膜的制備、改性及熱性能預(yù)處理:將樣品膜剪裁成8cm×8cm方塊,洗凈并用濾紙吸干表面水分后置于0.5mol/L的NaCl溶液中浸泡4h;將浸泡后的膜洗凈,用烘箱于50℃下干燥10min;將膜置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的二苯甲酮溶液(溶劑為丙酮)中浸漬10min,自然晾干備用。改性:將預(yù)處理后的膜置于一定濃度的SBMA溶液中浸泡5min;用濾紙將膜表面多余的SBMA溶液拭干后置于等離子體反應(yīng)器中,抽真空或注入其他氣體,在一定功率下對(duì)膜進(jìn)行定時(shí)等離子體輝光放電處理;將改性后的膜置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的鹽酸溶液中浸泡12h,并用純水洗凈待測(cè)。1.3極板電極的電解氯離子泄漏率的測(cè)試采用實(shí)驗(yàn)室自制的電解槽進(jìn)行。測(cè)試條件為:電極板陽(yáng)極為鈦基銥釕電極,陰極為鈦基板;電解液陰極室為質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%的HCl,陽(yáng)極室為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的H式中:C式中:I為電解時(shí)的恒流電流,mA;t為電解時(shí)間,s;F為法拉第常數(shù)。2結(jié)果與討論2.1性能得到了提升原膜及最佳改性膜性能參數(shù)如表1所示。由表1可知,原膜經(jīng)改性后整體性能得到很大提升。其中,氯離子攔截效率由原膜的86%提升至98%以上,電解過(guò)程中幾乎無(wú)氯氣生成;膜電阻下降約26%,大大降低了膜應(yīng)用過(guò)程中的能耗;膜的親水性提高約36%,改性膜具備更佳的抗污染能力2.2接枝單體的影響改性膜對(duì)氯離子的攔截效率主要取決于SBMA單體的接枝效率。而接枝率的高低主要受接枝單體的濃度、接枝反應(yīng)的強(qiáng)度和時(shí)間等條件的影響,這些因素在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中是通過(guò)改變SBMA單體的濃度、等離子放電的強(qiáng)度及時(shí)間等條件來(lái)控制,下面就這些條件進(jìn)行單因素分析。2.2.1單體濃度對(duì)改性效果的影響根據(jù)實(shí)驗(yàn)前期的摸索及對(duì)前人研究的總結(jié),將膜改性的條件設(shè)定為:放電功率為0.7W/cm由圖3可知,改性膜的氯離子泄漏率隨單體濃度的提高基本呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì),在單體濃度為60g/L時(shí),改性效果表現(xiàn)最佳。分析認(rèn)為單體的濃度對(duì)改性效果的影響在于:單體濃度過(guò)低,接枝在膜表面的活性基團(tuán)較少,膜表面電位提升不大,且不能對(duì)膜內(nèi)的大孔進(jìn)行充分的封堵;而過(guò)高的單體濃度會(huì)導(dǎo)致單體在接枝前大量自聚,不僅降低了藥品的使用效率,同時(shí)還影響SBMA單體在膜表面上的接枝反應(yīng)。2.2.2改性膜的氯離子泄漏率對(duì)于放電功率的研究,將實(shí)驗(yàn)條件控制為:放電氣體氛圍為氬氣,研究SBMA單體濃度為60g/L、放電時(shí)間為7min,單體濃度為60g/L、放電時(shí)間為6min,單體濃度為50g/L、放電時(shí)間為7min三種條件下,改性膜的氯離子泄漏率隨放電功率的變化。由圖4可知,隨著放電功率的增大,膜的氯離子泄漏率總體表現(xiàn)為先緩慢下降后急劇上升的趨勢(shì)。其中,當(dāng)功率約為0.7W/cm2.2.3改性膜表面過(guò)度刻蝕由圖3和圖4綜合分析可知,在適宜的等離子體照射強(qiáng)度下,經(jīng)過(guò)一定的反應(yīng)時(shí)間可以使膜表面的化學(xué)鍵位充分打開(kāi),改性膜也不會(huì)因照射時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而造成表面過(guò)度刻蝕。此外,等離子的放電時(shí)間對(duì)改性膜接枝作用的影響與等離子的放電功率密切相關(guān)。在低功率條件下,等離子體照射對(duì)膜表面化學(xué)鍵位的作用有限,照射時(shí)間對(duì)膜表面接枝效率基本沒(méi)有影響;而對(duì)高強(qiáng)度的輝光放電而言,一旦時(shí)間超過(guò)限度,等離子體將對(duì)膜表面產(chǎn)生過(guò)度刻蝕,生成大量的孔洞,造成反離子泄漏。2.2.4不同氣體氛圍下的放電效果關(guān)于放電氣體氛圍對(duì)膜改性的影響實(shí)驗(yàn),將實(shí)驗(yàn)條件控制為:SBMA濃度為60g/L,等離子照射強(qiáng)度為0.7W/cm實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示,膜在氬氣、氮?dú)夂驼婵罩械母男孕Ч嬖诿黠@差別,其中在氬氣氛圍下改性效果最好,在真空氛圍下改性效果最差。分析認(rèn)為,在不同的氣體氛圍中,輝光放電產(chǎn)生的高能量會(huì)使反應(yīng)器內(nèi)的氣體發(fā)生反應(yīng),影響膜的接枝效率。當(dāng)氛圍氣體為空氣時(shí),空氣中的氧氣會(huì)反應(yīng)變成臭氧,對(duì)膜表面產(chǎn)生氧化作用;而對(duì)于氮?dú)夂蜌鍤鈨煞N氛圍下的放電,雖然兩種氣體化學(xué)性能都比較穩(wěn)定,但大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在氬氣氛圍放電的過(guò)程中,氬氣是多步電離,使得電離率明顯提高;而在氮?dú)夥諊?發(fā)生的是潘寧電離,該電離方式的反應(yīng)速率系數(shù)較低2.3膜表面微觀結(jié)構(gòu)的變化通過(guò)對(duì)改性前后膜掃描電鏡分析,可以清晰地觀察到膜表面的微觀結(jié)構(gòu)變化。由圖5可知,改性前膜表面非常不均勻,存在大量的微米級(jí)膜孔。根據(jù)王三反等2.4改變前后膜表面的fti分析由圖6可知,相較于