等離子體輝光放電接枝苯磺酸甜菜堿的制備及表征

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，從溶液中分離有機分子、無機離子、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或陰陽離子端基的聚合物,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等本實驗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,同時借助SBMA的自聚作用,對膜表面的大孔進行充分的封堵,最終實現(xiàn)對反離子的阻擋,達到提高膜的選擇透過性的目的。研究了SBMA單體濃度、等離子體照射強度及反應(yīng)時間等條件的改變對膜改性效果的影響,并采用SEM、FTIR和電位滴定等測試方法考察膜結(jié)構(gòu)及性能的變化。1實驗1.1子交換膜的表征改性原膜:IONSEP-HC-C陽離子交換膜;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)量分數(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,在一定功率下對膜進行定時等離子體輝光放電處理;將改性后的膜置于質(zhì)量分數(shù)為1%的鹽酸溶液中浸泡12h,并用純水洗凈待測。1.3極板電極的電解氯離子泄漏率的測試采用實驗室自制的電解槽進行。測試條件為:電極板陽極為鈦基銥釕電極,陰極為鈦基板;電解液陰極室為質(zhì)量分數(shù)6%的HCl,陽極室為質(zhì)量分數(shù)1%的H式中:C式中:I為電解時的恒流電流,mA;t為電解時間,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,電解過程中幾乎無氯氣生成;膜電阻下降約26%,大大降低了膜應(yīng)用過程中的能耗;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)的強度和時間等條件的影響,這些因素在實驗過程中是通過改變SBMA單體的濃度、等離子放電的強度及時間等條件來控制,下面就這些條件進行單因素分析。2.2.1單體濃度對改性效果的影響根據(jù)實驗前期的摸索及對前人研究的總結(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,在單體濃度為60g/L時,改性效果表現(xiàn)最佳。分析認為單體的濃度對改性效果的影響在于:單體濃度過低,接枝在膜表面的活性基團較少,膜表面電位提升不大,且不能對膜內(nèi)的大孔進行充分的封堵;而過高的單體濃度會導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于放電功率的研究,將實驗條件控制為:放電氣體氛圍為氬氣,研究SBMA單體濃度為60g/L、放電時間為7min,單體濃度為60g/L、放電時間為6min,單體濃度為50g/L、放電時間為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。其中,當功率約為0.7W/cm2.2.3改性膜表面過度刻蝕由圖3和圖4綜合分析可知,在適宜的等離子體照射強度下,經(jīng)過一定的反應(yīng)時間可以使膜表面的化學鍵位充分打開,改性膜也不會因照射時間過長而造成表面過度刻蝕。此外,等離子的放電時間對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,等離子體照射對膜表面化學鍵位的作用有限,照射時間對膜表面接枝效率基本沒有影響;而對高強度的輝光放電而言,一旦時間超過限度,等離子體將對膜表面產(chǎn)生過度刻蝕,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)于放電氣體氛圍對膜改性的影響實驗,將實驗條件控制為:SBMA濃度為60g/L,等離子照射強度為0.7W/cm實驗結(jié)果如表2所示,膜在氬氣、氮氣和真空中的改性效果存在明顯差別,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。分析認為,在不同的氣體氛圍中,輝光放電產(chǎn)生的高能量會使反應(yīng)器內(nèi)的氣體發(fā)生反應(yīng),影響膜的接枝效率。當氛圍氣體為空氣時,空氣中的氧氣會反應(yīng)變成臭氧,對膜表面產(chǎn)生氧化作用;而對于氮氣和氬氣兩種氛圍下的放電,雖然兩種氣體化學性能都比較穩(wěn)定,但大量實驗結(jié)果表明,在氬氣氛圍放電的過程中,氬氣是多步電離,使得電離率明顯提高;而在氮氣氛圍下,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)的變化通過對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