[發明專利]基于羧基化碳納米管的高性能平板式正滲透膜及制備方法

在審

• 申請號: 201710095479.5
• 申請日: 2017-02-22
• 公開（公告）號: CN106925138A
• 公開（公告）日: 2017-07-07
• 發明（設計）人: 王立國;王秀菊;何芳;王仲鵬;劉思全;許偉穎;侯凱;周凱麗
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: B01D71/16
• 分類號: B01D71/16;B01D69/06;B01D67/00;B01D61/00
• 代理公司: 濟南譽豐專利代理事務所(普通合伙企業)37240
• 代理人: 李茜

技術領域

本發明涉及一種高分子平板式正滲透膜及其制備方法，特別是涉及一種基于羧基化碳納米管的高性能平板式正滲透膜及制備方法。

背景技術

水資源的匱乏和日益嚴重的水污染已成為制約社會進步和經濟發展的瓶頸，新水源開發和廢污水資源化利用也成為全球普遍關注的問題。由于地球上海水資源極為豐富，且產生大量的廢污水，海水淡化和污水資源化已成為解決水資源危機的戰略選擇。在諸多的污水資源化技術中，膜分離技術是最好的選擇之一。作為為解決這一關鍵問題而誕生的低能耗、高水回收率的正滲透技術成了海水淡化和污水資源化領域的研究重點和熱點，對解決水資源短缺問題有著重要的戰略意義。

正滲透(forward osmosis，FO)是一種依靠膜兩側滲透壓驅動的膜分離技術，正日益受到重視，相關的理論和應用研究取得了較大的進展，已經成功應用于海水淡化、廢水處理、食品醫藥、能源等領域。目前，常見的正滲透膜主要有三醋酸纖維素膜、二醋酸纖維素膜、聚苯并咪唑膜、聚酰胺復合膜等，商業化程度不高主要是缺乏性能良好的正滲透膜和適宜的驅動液，而正滲透膜是整個正滲透過程的關鍵所在。高性能的正滲透膜與其材料性質和膜的結構密切相關，可見性能優良的膜材料和正滲透膜制備方法尤為重要。常見的正滲透膜制備方法有界面聚合法、雙選擇層膜制備法和納濾膜改性三種。界面聚合法制備的正滲透復合膜內濃差極化較嚴重；雙選擇層膜有效減小了內濃差極化，但制備工藝較為復雜；納濾膜改性膜對單價鹽的截留率和水通量均較低；因此，需要開發新的正滲透膜制備工藝以提高正滲透膜的分離性能。

上個世紀60年代，國外已經開始了正滲透技術的研究，采用已有的反滲透膜或納濾膜進行正滲透的應用研究，結果證明現有的反滲透膜或納濾膜難以用于正滲透過程，但同時也證明了正滲透膜的性能與膜材料、膜結構密切相關；隨后，諸多膜科技工作者開始了正滲透膜制備的基礎研究。研究結果表明，通過選擇合適的膜材料、膜制備工藝，可以制備性能優良的正滲透膜。我國正滲透技術的研究起步較晚，目前國內對正滲透技術的研究，無論是膜制備還是膜過程研究，仍處于探索階段。一些膜科研工作者探索了纖維素類正滲透膜的制備條件，研究了各種因素對正滲透膜性能的影響，但尚未制備出可商業化的性能優良的正滲透膜；正滲透膜的制備和應用研究仍然任重而道遠。分別前期的研究啟示我們，利用共混技術改性膜材料，有望提高正滲透膜的水通量、截鹽率、機械性能和耐污染性能。發明專利ZL201410770001.4、201510245514.8和ZL201410769752.4、201510245504.4分別采用納米二氧化鈦和石墨烯與醋酸纖維素共混制備平板式和中空纖維正滲透膜，所制備正滲透膜的分離性能和滲透性能得到了較大幅度的提高；但通過選擇合適的材料，仍可對所制備正滲透膜的水通量進行進一步的提高，滿足商業化生產和應用需求。

碳納米管是以sp²共價鍵構成的一種理想的一維量子材料，具有很高的楊氏模量和抗拉強度，同時具有優良的導電、導熱性，耐熱、耐蝕性，輕度易加工性等多種優良性能，可望用于各個材料領域；如多壁碳納米管基于其高度的生物相容性和大的比表面積而應用于分離膜的制備中。有科研人員把改性后的碳納米管添加到膜的活性層來制備超濾膜以提高他們的親水性；也有人通過把改性后的碳納米管嵌入到表層制備了反滲透膜，使其水通量明顯上升，而截留率沒有較大幅度的下降，并提高了膜的抗污染性。因此，如將改性后的碳納米管與醋酸纖維素共混制備正滲透膜，也有望在獲得高水通量、截鹽率的同時，也使正滲透膜產品具有耐污染性，這為正滲透膜材料的研究開發及應用推廣提供了新的思路。

如何在得到親水性質的同時，又使正滲透膜具有抗污染性和保持水通量的穩定性，這是近年來膜科技工作者一直在思索和研究的難題。本發明采用改性碳納米管即羧基化碳納米管改善正滲透膜的結構和滲透性能、分離性能的研究，國內外尚未見文獻報道。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于羧基化碳納米管的高性能平板式正滲透膜，本發明的另一個目的是提供該平板式正滲透膜的制備方法。

為實現上述目的，本發明采取的技術方案為：

一種基于羧基化碳納米管的高性能平板式正滲透膜，是由以下質量百分比的物質組成的：聚合物膜材料7.0%～20.0%（w/w）、致孔劑---致孔劑A 1.0%～9.0%（w/w）和致孔劑B 3.0%～11.0%（w/w）、羧基化碳納米管0.05%～2.0%（w/w）、溶劑58.0%～88.95%（w/w）；