[發明專利]一種醋酸纖維素正滲透膜材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201410050442.7
• 申請日: 2014-02-13
• 公開（公告）號: CN103785301A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發明（設計）人: 何濤;李春霞;殷勇;李雪梅;宋健峰;王周為;趙寶龍;陳剛;張蒙晰;姜標
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海高等研究院
• 主分類號: B01D71/16
• 分類號: B01D71/16;B01D69/02;B01D67/00
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 張艷

技術領域

本發明涉及高分子膜材料領域，尤其涉及一種醋酸纖維素正滲透膜材料及其制備方法。

背景技術

地球表面大部分被海洋覆蓋，其中僅有0.8%的水資源是可飲用的淡水，隨著環境污染日益嚴重導致全球面臨嚴重的水資源、環境和能源危機。開發利用占地球表面99%以上的海水是解決水資源危機的有效途徑。然而，目前海水淡化廣泛采用的反滲透技術需要施加較大的外壓，能耗較高。正滲透技術正是為解決這一關鍵問題而誕生的新興水處理技術。正滲透技術是將滲透壓不同的溶液放置在半透膜的兩側，水在滲透壓差的推動下自發地從低滲透壓側（進料液）到高滲透壓側（驅動液），達到驅動側溶液被稀釋，進料側溶液被濃縮的過程。除了應用于海水淡化以外，正滲透技術還可應用于廢水回用、農業灌溉、食品、醫療、航空航天等國民工業的很多領域。在正滲透過程中，半透膜兩側的滲透壓差可以比反滲透過程中的推動力高得多，理論上講正滲透可以實現比反滲透高得多的透量。但因為內濃差極化的存在導致有效滲透壓差Δπeff遠小于驅動液和進料液的滲透壓差Δπ，很大程度上降低了滲透過程的推動力，因此實際通量遠小于理論通量。內濃差極化是由于透過半透膜的水或鹽離子向驅動液和進料液本體的擴散阻力所造成的。所以膜材料支撐層越薄，擴散阻力越小，內濃差極化就越弱，通量越高；皮層越薄，水分子傳質阻力越小，通量越高。另外，在保證膜強度的前提下，膜材料支撐層孔結構越連通，孔徑越大，通量越高。因此，膜材料的厚度和支撐層孔結構直接影響膜材料的正滲透通量。

評價正滲透膜材料的性能指標除了通量以外，另一個是膜材料對鹽的截留能力，簡稱鹽截留率。鹽截留率主要取決于膜材料皮層的致密程度。皮層完全致密，鹽離子不能透過，同時水分子也無法透過，皮層的孔徑最好在0.4～0.6納米之間，鹽截留率最高。因此，開發合適的膜材料是解決正滲透內濃差極化和截留率的關鍵之一，理想的正滲透膜材料應該是具有以下特征的膜材料：

（a）皮層具有良好的親水性，通量高，抗污染性能好；

（b）皮層孔徑最好在0.4～0.6納米之間，保證高的鹽截留率；厚度盡量小，提高通量；

（c）支撐層盡量薄，孔隙率大，孔結構高度連通，具有高的傳質系數，減小內濃差極化；

（d）具有良好的機械性能和化學穩定性；

早期的正滲透研究采用反滲透膜作為正滲透膜材料，但效果都不理想。在20世紀90年代，HTI（Hydration?Technology?Innovations）公司首先開發出商業化的FO膜，相關專利為WO2006110497A2。它是由鑲嵌膜中間的聚酯網或無紡布支撐的醋酸纖維素類膜[18]，膜材料表面光滑。與一般界面聚合形成的反滲透膜表面相比，HTI膜的表面粗糙度在36納米，而界面聚合膜表面的粗糙度約為100納米。

專利103055713A介紹了一種雙皮層醋酸纖維素正滲透膜的制備方法，研究人員希望通過制備具有雙皮層的膜材料阻止驅動側的鹽離子浸入支撐層孔結構中，從而減小內濃差極化，提高通量。但是結果表明，雙皮層只是增加了水的傳質阻力，使通量大幅度降低，對鹽截留率沒有明顯提高；

目前界面聚合膜也是正滲透膜材料的研究熱點，界面聚合膜通常是由聚酰胺皮層與較厚的聚砜多孔支撐層和無紡布支撐層構成。由于聚砜為疏水多孔材料，水分子在其中的傳遞阻力較大，以疏水材料如聚砜作支撐來制備界面聚合正滲透膜存在嚴重的內濃差極化現象。另一方面，界面聚合膜均采用親水性差的聚砜作支撐材料，膜材料耐污染性差。專利CN103170257A介紹了一種將聚砜進行羧基化親水改性后用于制備聚砜/聚酰胺復合膜的制備方法。但是親水材料作支撐時，界面聚合皮層不均勻且與支撐結合性較差，皮層容易脫落。

新加坡國立大學的研究人員也試圖通過層-層自組裝方式得到聚合電解質皮層，但是這種膜能夠截留二價陽離子，對于一價態鹽離子的截留率遠低于商業化的HTI膜。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術中存在的不足，提出了一種醋酸纖維素正滲透膜的制備方法；所述的超薄醋酸纖維素正滲透膜具有親水性良好，內濃差極化小，正滲透通量高，耐氯性好，對一價態鹽離子截留率高的優點。

為實現上述目的及其它目的，本發明是采用如下的技術方案實現的：

一種醋酸纖維素正滲透膜材料，所述醋酸纖維素正滲透膜材料是一種非對稱膜；

所述醋酸纖維素正滲透膜材料的厚度為20-150μm，孔隙率為55%～90%，