静电纺聚砜纤维膜对分散染料的过滤性能研究*

刘雷艮 潘志娟

(1.苏州经贸职业技术学院，苏州，215008;2.苏州大学纺织与服装工程学院，苏州，215021)

静电纺聚砜纤维膜对分散染料的过滤性能研究*

刘雷艮1潘志娟2

(1.苏州经贸职业技术学院，苏州，215008;2.苏州大学纺织与服装工程学院，苏州，215021)

采用静电纺丝法制得聚砜纤维膜，并用其过滤分散艳蓝2BLN染液。研究了静电纺聚砜纤维膜的表面形态、孔隙结构及其对分散艳蓝2BLN的过滤性能。结果表明，静电纺聚砜纤维膜对分散艳蓝2BLN的过滤效率几乎为零。

聚砜，静电纺丝，过滤性能，分散染料

染料是造成印染废水色度的主要原因。染料一般溶解于水或者以微细颗粒状悬浮在水中，相对分子质量较小，因此较难除去。目前主要采用混凝吸附、催化降解及膜过滤等方法除去印染废水中的染料色度，但是混凝吸附和催化降解等方法易造成二次污染，而膜过滤法主要采用物理拦截筛分的原理过滤染料，不会带来二次污染。传统相分离法制备的过滤膜孔隙率较低，只能达到30% ～50%;而静电纺丝获得的非织造纤维膜具有贯通的孔隙结构，孔隙率可达80%以上，且纤维直径细，可以达到纳米级，具有较高的表面吸附能，适合用作过滤材料［1-3］。但是，印染废水有较高的酸碱度和一定的温度，要求过滤材料具有优良的化学稳定性和热稳定性，而聚砜(PSF)在一般的强酸强碱溶液中不溶解也不溶胀，其连续使用温度在105℃以上，因此很适合用作印染废水过滤材料。本文采用PSF进行静电纺丝制得非织造纤维膜，然后用其过滤分散艳蓝2BLN染液，研究静电纺聚砜纤维膜(以下简称电纺PSF膜)的表面形态、孔隙结构及其过滤性能。

1 实验部分

1.1 材料

PSF树脂颗粒，上海百灵威化学技术有限公司，MW=7.5×104g/mol;

N，N’-二甲基甲酰胺(DMF)，上海百灵威化学技术有限公司，分析纯;

分散艳蓝2BLN，上虞市佳力染料化工有限公司。

1.2 方法

1.2.1 电纺PSF膜的制备

在室温条件下，将一定量的PSF树脂颗粒溶解于DMF溶剂中，经90-3型恒温双向磁力搅拌器充分搅拌溶解后，制得质量分数为20%的纺丝液;将纺丝液注入5 mL玻璃注射管中，注射管针头内径为0.45 mm，并在纺丝电压为12 kV，喷丝头与接收板之间的距离为15 cm，纺丝液流量为1.5 mL/h的纺丝条件下静电纺丝30 min;将纺得的纤维毡在室温下放置48 h，然后用夹子夹持纤维毡两端，使之平整后放入DHG-9076A型电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)内，并在190℃温度下热处理2 h，制得电纺PSF膜备用。

1.2.2 过滤实验

先将分散艳蓝2BLN染料配制成300 mg/L的过滤染液，然后将电纺PSF膜分别以一层、二层和三层叠合的形式放入针筒式过滤器进行过滤实验。

1.2.3 性能测试

(1)采用螺旋测微仪测量电纺PSF膜的厚度，并称取单位面积电纺PSF膜的重量，计算得到电纺PSF膜的密度ρv，则电纺PSF膜的孔隙率η=(1 －ρv/ρ) ×100%，ρ为PSF 的密度(1.24 g/cm3)。

(2)采用毛管流动孔隙测量仪(美国施多威尔公司)测量电纺PSF膜的最大压泡孔径。

(3)通过S-4700型扫描电子显微镜观察过滤前后电纺PSF膜的表面形态。

(4)采用HPP 5001型激光粒度分析仪(英国马尔文公司)检测分散艳蓝2BLN染料的粒径及其分布。

(5)采用722型可见分光光度计测量过滤前后染液的最大吸光度，每种试样分别测3次，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 过滤前后电纺PSF膜的形态结构

图1(a)和图1(b)分别为电纺PSF膜经热处理后原样放大2 000倍和10 000倍的SEM照片。由图1(a)可见，采用静电纺丝方法获得的PSF纤维膜类似于非织造布的形态，纤维随机排列，纤维间形成交错的多孔结构，其直径为(684±263)nm，并未达到纤维直径小于100 nm的纳米级程度，属于亚微米级，且纤维直径均匀性差;由图1(b)可见，单根纤维表面光滑，不存在明显的孔穴等缺陷。图1(c)和图1(d)分别为过滤后电纺PSF膜表面放大2 000倍和10 000倍的SEM照片。由图1(c)可见，过滤后电纺PSF膜表面并未截留分散艳蓝2BLN染料颗粒;由图1(d)可见，纤维表面吸附少量固体颗粒，这可能是由于纤维较大的表面能而吸附了少量分散艳蓝2BLN染料颗粒。

图1 电纺PSF膜过滤前后的SEM照片

2.2 电纺PSF膜的孔隙结构

过滤膜的孔隙结构直接影响膜的过滤效率和过滤阻力。过滤时在满足过滤效率的条件下，膜的孔隙率越小，过滤阻力越大;反之，孔隙率越大，膜通量越大，过滤阻力越小。纤维膜的孔隙结构与纤维排列状态、纤维直径及其均匀性有直接关系。纤维随机排列，沿各向同性分布，使形成的纤维膜孔隙结构均匀，且纤维膜的强力各向同性，利于抵御过滤时的阻力。纤维直径越小，形成的纤维膜孔径越小，纤维的比表面积越大，表面能越高，吸附能力越好。当纤维直径达到纳米级时，纤维表面易形成纳米吸附效应，用作过滤材料时利于吸附被过滤的物质。纤维直径分布的均匀性影响纤维膜孔径的均匀性，纤维粗细不匀，使得纤维膜的孔径分布不匀，易使纤维膜最大孔径增大，不利于提高过滤效率。最大压泡孔径反映了过滤膜的截留性能。

图2示出了电纺PSF膜的最大孔径及其分布。由图2可知:电纺PSF膜的最大压泡孔径分布为4.2 ～4.8 μm;其中，4.2 ～4.4 μm 占 33.9%，4.4～4.6 μm 占 34.4%，4.6 ～ 4.8 μm 占 28.9%，接近微孔过滤材料的孔径范围0.05～10 μm。制得的PSF电纺膜平均厚度为70 μm，经称量计算得到，其孔隙率达到82.5%。

图2 电纺PSF膜的最大孔径及其分布

2.3 分散艳蓝2BLN的粒径分布

分散染料不溶于水，以微细颗粒状悬浮在水中，其颗粒的大小依赖于研磨程度。本实验所用的分散艳蓝2BLN的粒径分布如图3所示。由图3可见:分散艳蓝2BLN的粒径主要分布在40～370 nm范围内，其中40～100 nm约占总数的90%，这说明大部分颗粒已达到纳米级;而部分粒径在300 nm附近的染料颗粒可能是测量的染液中发生颗粒间团聚作用而造成的。

图3 分散艳蓝2BLN的粒径分布曲线

2.4 电纺PSF膜的过滤性能

分散染料在水中呈电中性，采用电纺PSF膜过滤分散染料时主要依靠膜的拦截、惯性沉积作用进行过滤，因此对染料的过滤效率主要依赖于膜孔径的大小。通过对过滤前后染液的最大可见光吸光度的测量来间接反映过滤前后染液的相对浓度，并通过对比最大吸光度来反映过滤效率。

图4为300 mg/L分散艳蓝2BLN染液的可见光吸收波长与吸光度分布曲线。由图4可知，分散艳蓝2BLN的最大吸收波长为560 nm，最大吸光度为 1.667。

图4 分散艳蓝2BLN染液的可见光吸收波长与吸光度分布曲线

将电纺PSF膜分别以一层、二层和三层叠合形式对分散艳蓝2BLN染液进行过滤，过滤前后滤液的最大吸光度的数据如下:

随着过滤膜层数的增加，过滤前后滤液的最大吸光度没有明显的变化，说明增加过滤膜层数对过滤效率没有明显的影响，这是由于电纺PSF膜的孔径远远大于分散艳蓝2BLN的粒径而造成的。

3 结论

采用电纺PSF膜过滤分散艳蓝2BLN染液，并对过滤前后电纺PSF膜的表面形态、孔隙结构、过滤性能及分散艳蓝2BLN的粒径分布进行了系统测试和研究，得出以下结论:

(1)电纺PSF膜内纤维随机排列，纤维直径为(684±263)nm，过滤后膜表面无明显残留染料颗粒，其孔隙率达82.5%，最大压泡孔径为4.2 ～4.8 μm。

(2)分散艳蓝2BLN的粒径分布为40～370 nm，远小于电纺PSF膜的最大压泡孔径，且随着过滤膜层数的增加，其最大可见光吸光度几乎没有变化，过滤效率几乎为零。

［1］高晓艳，潘志娟.用作过滤材料的静电纺纳米纤维的研究现状［J］.产业用纺品，2008，26(3):6-10.

［2］覃小红，王善元.静电纺纳米纤维的过滤机理及性能［J］.东华大学学报:自然科学版，2007(1):52-56.

［3］戴有刚，左保齐.静电纺丝非织造过滤材料研究进展［J］.产业用纺织品，2008，26(7):1-5.

Research on filtration property of electrospun polysulfone fiber membrane to disperse dyes

Liu Leigen1，Pan Zhijuan2
(1.Suzhou Istitute of Trade＆ Commerce;2.College of Textile and Clothing Engineering，SooChow University)

Polysulfone fiber membranes were preparated by electrospinning which was used to filter suspension liquid of disperse brilliant blue 2BLN.The surface morphology，pore structure and filtration property of electrospun polysulfone fiber membrane were studied.The results showed that filtration efficiency of elelctrospun fiber membrane to disperse brilliant blue 2BLN was almost zero.

polysulfone，electrospinning，filtration property，disperse dye

TQ342+.7

A

1004－7093(2011)09－0025－03

*苏州经贸职业技术学院自然青年科研基金项目(JMQZ1001)

2011－06－29

刘雷艮，女，1979年生，讲师，在职博士研究生。主要从事静电纺丝纳米纤维材料的研究。